輸電線路塔架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)加固研究

劉強(qiáng) 徐冰 盧本初

摘 要：為解決輸電線路塔架上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)加固的關(guān)鍵問(wèn)題，采用ABAQUS建立該節(jié)點(diǎn)有限元實(shí)體單元模型，并考慮自然災(zāi)害下不同受力工況，并與原規(guī)范和現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明，考慮上部結(jié)構(gòu)加固后，該節(jié)點(diǎn)最薄弱處為靴板與主材連接螺栓剪切破壞，整體承載力裕度需加強(qiáng)。由此提出在不停電施工前提下，與上部結(jié)構(gòu)主材加固型式匹配的節(jié)點(diǎn)加固方案，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)加固研究成果有利于提高輸電線路使用價(jià)值，也為同類裝配式建筑節(jié)點(diǎn)加固研究提供了新思路。

關(guān)鍵詞：輸電線路；塔架；連接節(jié)點(diǎn)；加固

中圖分類號(hào)：TM754;TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0136-05

Research on reinforcement of connection nodes of transmission line towers

LIU Qiang1，XU Bing2，LU Benchu2

（1.Guangxi Society of Mechanics，Nanning 530001，China;

2.China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Nanning 530023，China）

Abstract：In order to solve the key problem of strengthening the connection nodes between the upper structure and foundation of transmission line towers，was used to establish a finite element real element model of this node，different stress conditions under natural disasters were considered，and the calculation results with the original and current specifications was compared.The research results indicated that after considering the reinforcement of the upper structure，the weakest point of the node was the shear failure of the connecting bolts between the shoe plate and the main material，and the overall bearing capacity margin needed to be strengthened.Therefore，under the premise of uninterrupted construction，a joint reinforcement scheme matching the reinforcement type of the main material of the superstructure was proposed，and verified by practical tests.This node reinforcement plan is beneficial for improving the service value of transmission lines and also provides new ideas for the research of node reinforcement in similar prefabricated buildings.

Key words：

transmission line;tower; connection nodes; reinforcement

目前對(duì)于輸電塔架上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的加固，國(guó)內(nèi)外的專家已有了一些理論和試驗(yàn)研究。如

提出采用主角鋼外側(cè)并聯(lián)不等邊角鋼的方式進(jìn)行輸電鐵塔加固［1］；

研究了不同覆冰厚度和風(fēng)速條件下鐵塔本體最薄弱部位［2］；

對(duì)比了輸電線路鐵塔十字型，Z字型，T字型截面主角鋼的加固效果［3］；

對(duì)塔身增設(shè)橫隔面后的塔架局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析［4］；

對(duì)鐵塔本體加固前后軸向應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系進(jìn)行了研究［5］；

研發(fā)了新型夾具將加固角鋼與主材角鋼緊密連接形成的T型組合截面構(gòu)件［6］。

現(xiàn)有輸電塔架加固研究集中在主材和基礎(chǔ)方面，對(duì)承受關(guān)鍵荷載的輸電塔架上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間的連接節(jié)點(diǎn)加固研究較少（以下簡(jiǎn)稱“連接節(jié)點(diǎn)”），而現(xiàn)行規(guī)范僅對(duì)該節(jié)點(diǎn)的底板簡(jiǎn)化計(jì)算，其整體承載力裕度不明確。本研究選取了早期投運(yùn)的 ZGU1型直線輸電線路塔型作為研究對(duì)象，分析連接節(jié)點(diǎn)整體承載力和變形程度，在不停電施工前提下，提出安全可靠，經(jīng)濟(jì)可行的節(jié)點(diǎn)加固方案。

1 連接節(jié)點(diǎn)有限元整體分析

1.1 模型尺寸選取

根據(jù)ZGU1型輸電塔施工圖，連接節(jié)點(diǎn)實(shí)際尺寸見(jiàn)圖1（a）和圖1（b）；其中底板螺栓規(guī)格為M42，其余連接螺栓規(guī)格為6.8級(jí)M16，材質(zhì)均為Q235鋼材。

1.2 單元類型

ABAQUS包含的單元大多數(shù)都是結(jié)構(gòu)單元，包括桿單元、梁?jiǎn)卧?、管單元、殼單元、?shí)體單元等等，根據(jù)不同的分析目的和需求可選擇不同的單元。在選取單元類型時(shí)，除了符合結(jié)構(gòu)實(shí)際力學(xué)行為外，還需綜合考慮模型的計(jì)算精確性和計(jì)算效率等，連接節(jié)點(diǎn)的模型擬選用殼和實(shí)體單元，然而殼單元一般用于模擬平板或者曲殼一類的結(jié)構(gòu)，要比實(shí)體單元復(fù)雜得多，且對(duì)于板件寬厚比有大于10的要求，考慮到構(gòu)件的實(shí)際形狀和建模的便捷性，選用實(shí)體單元進(jìn)行建模分析。

1.3 材料屬性與模型裝配

鋼材在拉伸試驗(yàn)下得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε曲線），通常在ABAQUS中一般不會(huì)精確輸入，而是采用簡(jiǎn)化模型代替。如雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）、多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（MKIN 與 KINH）、非線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（CHAB）、雙線性等向強(qiáng)化模型（BISO）、多線性等向強(qiáng)化模型（MISO）等。涉及的構(gòu)件均為靜力且單調(diào)加載，因此選用雙線性等向強(qiáng)化模型［7］，強(qiáng)化階段的折線斜率為0.03E（E為彈性模量）。因考慮主角鋼已加強(qiáng)，視為剛體，與其連接螺栓采用6.8級(jí)，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為480 MPa。其他鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235，彈性模量（E）取200 GPa，屈服強(qiáng)度取235 MPa，泊松比取0.3。單元網(wǎng)絡(luò)劃分采用掃掠劃分螺栓模型與節(jié)點(diǎn)整體模型如圖2（a）、圖2（b）所示。

1.4 接觸、邊界條件及分析步設(shè)置

主角鋼、螺栓、加勁板和靴板間采用接觸連接，切向摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，法向?yàn)橛步佑|［8］。底板和靴板間采用綁定的方式連接，底板與基礎(chǔ)連接設(shè)置為固端，進(jìn)行有限元分析時(shí)忽略焊接質(zhì)量及焊接殘余應(yīng)力對(duì)加勁肋連接的影響［9-10］。工程模型分析屬于準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，故采用顯式動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，因此本文的模擬過(guò)程分為初始應(yīng)力平衡和顯式動(dòng)力分析2個(gè)階段，頻率設(shè)置為50 Hz。

1.5 荷載計(jì)算與加載設(shè)置

根據(jù)原設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)于正在運(yùn)行輸電塔架，可不考慮安裝工況，各工況組合及受力計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中，支座處x、y、z方向如圖3所示。

通過(guò)計(jì)算，取各工況的最不利基礎(chǔ)作用力，F(xiàn)x=47.1 kN，F(xiàn)y=50.22 kN，F(xiàn)z=502.33 kN，主角鋼方向上拔合力550.68 kN，如圖3所示。按實(shí)際受力情況，幅值類型設(shè)置為“平滑分析步”。

1.6 結(jié)果分析

連接節(jié)點(diǎn)有限元整體分析如圖4所示。

通過(guò)有限元軟件ABAQUS得到的破壞情況如圖4（a）所示，靴板與主角鋼的連接螺栓在接觸平面發(fā)生剪切破壞，由此得到極限承載力為769 kN，安全裕度約為40%。由圖4（b）可知，當(dāng)主角鋼的豎向位移達(dá)到6 mm時(shí)，主角鋼的螺栓發(fā)生剪切破壞，應(yīng)增加主角鋼螺栓的抗剪能力，從而提高節(jié)點(diǎn)的承載力。將節(jié)點(diǎn)底板按靴板位置分為4個(gè)區(qū)格，從圖4（c）節(jié)點(diǎn)底板豎向位移云圖可明顯判斷，最大豎向位移位置處于底板最小區(qū)格的自由側(cè)邊緣處。該處沒(méi)有被破壞，故底板豎向位移不作為破壞準(zhǔn)則的控制參數(shù)。

2 規(guī)范計(jì)算對(duì)比

為了分析上述節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算，與按規(guī)范計(jì)算的結(jié)果差異，選用節(jié)點(diǎn)底板厚度作為衡量承載力的主要對(duì)比參數(shù)，該節(jié)點(diǎn)的靴板和加勁板尺寸根據(jù)構(gòu)造要求配置，根據(jù)原設(shè)計(jì)規(guī)范SDGJ 94—1990《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，采用區(qū)格法計(jì)算該節(jié)點(diǎn)底板的厚度（t）：

t≥11.13T×ymax4bmin×f（1）

式中：T為底板上作用的拉力，N；ymax為底腳螺栓中心至主角鋼的最大距離，mm；bmin為底板各區(qū)段中的最小寬度，mm。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范［11］，采用屈服線法計(jì)算該節(jié)點(diǎn)底板的厚度：

t=max（t1，t2）

t1=1.21Tfy/rRLb1-y1+2b1y1-1（2）

t2=0.48Tfy/rRy2b2（3）

式中：T為底板上作用的拉力；L為區(qū)隔Ⅰ的加勁板的長(zhǎng)度；b1為區(qū)隔Ⅰ的寬度；y1為區(qū)隔Ⅰ地腳螺栓中心至靴板的距離；y2為區(qū)隔Ⅱ地腳螺栓中心至靴板的距離；b2為區(qū)隔Ⅱ的寬度。

該連接節(jié)點(diǎn)受壓時(shí)，由于靴板及加勁板的豎向剛度較大而底板的豎向剛度相對(duì)較小，底板和基礎(chǔ)間的壓力并非均勻分布，而是主要分布在靴板和加勁板附近，因此底板承受的彎矩相對(duì)較小，受壓工況一般不控制節(jié)點(diǎn)底板的厚度［12］。故選取工況組合后的基礎(chǔ)作用最大上拔力進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，考慮連接節(jié)點(diǎn)整體受力和塑性性能后，有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)底板厚度的結(jié)果比規(guī)范設(shè)計(jì)相對(duì)偏小，更能充分發(fā)揮材料性能。而原設(shè)計(jì)規(guī)范的承載力裕度較大，現(xiàn)行規(guī)范雖然進(jìn)行了改進(jìn)，但是承載力裕度仍然偏大，故按規(guī)范簡(jiǎn)化計(jì)算節(jié)點(diǎn)承載力裕度與實(shí)際偏差較大。

3 加固方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)上述有限元分析，塔架與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)的破壞處為與主材連接螺栓抗剪不足，為增強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)螺栓的抗剪能力，使該節(jié)點(diǎn)加固的安全裕度與上部結(jié)構(gòu)加固后的安全裕度匹配，設(shè)計(jì)如下3種加固方案。

3.1.1 提高螺栓抗剪強(qiáng)度及增加側(cè)邊螺栓抗剪力

施工圖中節(jié)點(diǎn)與主材連接使用6.8級(jí)螺栓，經(jīng)核算，該級(jí)別的螺栓不足以承受工況組合后產(chǎn)生的剪力，故加固方案一采用抗剪性能更好的高強(qiáng)螺栓，并考慮螺紋不進(jìn)入剪切面。同時(shí)將單側(cè)螺栓增加為雙側(cè)螺栓，對(duì)應(yīng)靴板也對(duì)應(yīng)開(kāi)孔，新增抗剪螺栓與原靴板和加固后十字角鋼相連，根據(jù)構(gòu)造規(guī)范［13］要求，由于原靴板位置有限，考慮螺栓孔距和端距的最大、最小容許距離，僅能開(kāi)2個(gè)孔。

3.1.2 增加承剪面數(shù)量

將原來(lái)單承剪面增加到雙承剪面，即在原肢寬110 mm主角鋼內(nèi)側(cè)，增加L100×10角鋼，長(zhǎng)度大于等于325 mm，內(nèi)貼角鋼的底部與節(jié)點(diǎn)底板進(jìn)行焊接，該方案不僅需在L100×10角鋼開(kāi)孔，并單面焊接，施工難度相對(duì)較大。

3.1.3 增加螺栓孔的直徑，加大螺栓規(guī)格

采用8.8級(jí)M20螺栓代替原6.8級(jí)M16螺栓，增加螺栓抗剪面積，需要現(xiàn)場(chǎng)從直徑17.5 mm擴(kuò)孔到21.5 mm，施工質(zhì)量難以把控，而且對(duì)施工過(guò)程破壞鍍鋅層需重新恢復(fù)。

3.2 加固后連接節(jié)點(diǎn)有限元分析

加固后的本構(gòu)模型與加固前保持一致，均為雙線性等向強(qiáng)化模型。經(jīng)測(cè)算，主角鋼與節(jié)點(diǎn)連接螺栓采用10.9級(jí)的高強(qiáng)螺栓，加固的加勁板與底板按綁定設(shè)置。模型發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，可以明顯看到加固后依然是主角鋼的連接螺栓發(fā)生剪切破壞，此時(shí)主角鋼的上拔力約為1 045 kN，承載力約提高了35%。

4 真型試驗(yàn)對(duì)比

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證有限元計(jì)算的合理性和連接節(jié)點(diǎn)的受力特性，按技術(shù)規(guī)范書(shū)的構(gòu)造要求加工本試驗(yàn)試件，設(shè)置了未加固的連接節(jié)點(diǎn)和加固后連接節(jié)點(diǎn)對(duì)照組。為了得到該節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中的受力情況，在底板和靴板布置了測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變片布置位置是根據(jù)有限元仿真計(jì)算得出的應(yīng)變較大處，位移計(jì)布置是根據(jù)有限元計(jì)算在變形最大處進(jìn)行設(shè)置，與此同時(shí)，在若干特征點(diǎn)也設(shè)置位移計(jì)作為適當(dāng)?shù)膮⒄諏?duì)比，用于測(cè)量底板變形的撓度。

本試驗(yàn)參照裝配式鋼結(jié)構(gòu)連接方式試驗(yàn)的加載方式［14］，采用單調(diào)靜力加載，加載過(guò)程采用分級(jí)加載，同時(shí)記錄相應(yīng)的荷載應(yīng)變和位移值。按計(jì)算的極限荷載，對(duì)于試件位移和應(yīng)變片應(yīng)變尚未急劇增大的情況，以底板的最大豎向位移值大于等于1.5 mm作為停止加載的條件。

4.2 試驗(yàn)與理論分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)上述試驗(yàn)，得到連接節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中的受力情況和變形數(shù)據(jù)。而有限元分析則可以通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)加固方案的效果，并得到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布和變形情況，加固前的實(shí)驗(yàn)與理論分析數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6（a）和圖6（b）所示，加固后的實(shí)驗(yàn)與理論分析數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7（a）和圖7（b）所示。

由圖6和圖7可知，加固前后的節(jié)點(diǎn)均在角鋼的連接螺栓處發(fā)生剪切破壞，切口平整，與有限元模擬結(jié)果一致。無(wú)論加固前還是加固后，承載力、主角鋼豎向位移、較大的變形對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果誤差均為5%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，說(shuō)明有限元模型參數(shù)選擇合理，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可用于評(píng)估加固方案的準(zhǔn)確性和可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）未加固連接節(jié)點(diǎn)的整體承載力裕度約40%，破壞條件是靴板與主角鋼的連接螺栓在接觸平面抗剪不足，連接節(jié)點(diǎn)的靴板、加勁板和底板的應(yīng)力比相對(duì)較小，其底板最大豎向變形的撓度值小于0.2 mm，均不起控制作用，故對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)加固需提高與主角鋼連接螺栓的抗剪強(qiáng)度；

（2）采用連接節(jié)點(diǎn)的有限元實(shí)體模型分析，相比現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算結(jié)果，更能如實(shí)反映連接節(jié)點(diǎn)整體承載力受力情況，隨著基礎(chǔ)作用力不同，底板厚度可減少8%～30%；

（3）對(duì)連接節(jié)點(diǎn)加固設(shè)計(jì)，采用三維實(shí)體單元有限元建模，結(jié)合受力分析和真型試驗(yàn)組裝，不僅能驗(yàn)證有限元計(jì)算適應(yīng)性，而且可有效檢查連接節(jié)點(diǎn)加固后，各板件是否相碰、安裝操作空間裕度，以及上部鐵塔根開(kāi)與下部基礎(chǔ)根開(kāi)是否匹配等實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題；

（4）通過(guò)不同加固方案的對(duì)比，設(shè)計(jì)了便于施工，安全可靠，經(jīng)濟(jì)可行的連接節(jié)點(diǎn)加固裝置，可有效配合輸電塔架上部結(jié)構(gòu)的主角鋼十字加固、一字加固或者夾具式加固等構(gòu)造形式，使得加固裝置、原連接節(jié)點(diǎn)和上部結(jié)構(gòu)共同受力。該連接節(jié)點(diǎn)加固研究成果不僅有利于提高輸電線路全壽命周期的使用價(jià)值，也為后續(xù)輸電線路整體加固奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2023-11-21；修回日期：2024-02-21

作者簡(jiǎn)介：劉 強(qiáng)（1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究；E-mail：lqiangirgg@sina.com。

基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)科技廳科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020GXNSFAA297238）；

廣西壯族自治區(qū)教育廳科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021KY1267）。

引文格式：

劉 強(qiáng)，徐 冰，盧本初.輸電線路塔架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)加固研究［J］.粘接，2024，51（3）：136-140.