輸電塔單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力研究綜述

摘" 要：輸電塔常采用上部單肢角鋼主材下部組合雙角鋼主材的構(gòu)造型式，在單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)由于上下主材重心重合必然導(dǎo)致上下靴板形成偏心，規(guī)范中尚無對(duì)此類節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。該文介紹單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力的研究狀況及目前的研究進(jìn)展，概述其要受力特點(diǎn)、破壞模式，總結(jié)單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模型。最后，對(duì)單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)的承載力研究進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)；承載力；節(jié)點(diǎn)板；靴板；水平板

中圖分類號(hào)：TM75" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0089-04

隨著我國電力需求的持續(xù)增加以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動(dòng)，輸電系統(tǒng)的建設(shè)顯得尤為重要。在高電壓等級(jí)輸電鐵塔中，通常采用上部單角鋼主材下部組合雙角鋼主材的型式，這種設(shè)計(jì)方式在節(jié)省材料及滿足承載力的要求上取得平衡，但也必然在單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)處造成上下靴板偏心，如圖1所示[1]。目前，我國在輸電鐵塔單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)范存在一定的空白，設(shè)計(jì)人員普遍依賴于經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致相同工況下的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果差異較大，且常因過度保證安全而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)體積和節(jié)點(diǎn)板厚度過大，從而引起材料浪費(fèi)及運(yùn)輸安裝困難。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析對(duì)輸電塔單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力展開了研究，但由于實(shí)驗(yàn)參數(shù)、設(shè)計(jì)理念的不同，各研究結(jié)果具有一定的差異性。本文總結(jié)了輸電塔單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力的研究結(jié)果，歸納了過渡節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理以及理論模型，并為后續(xù)研究提出一些建議，希望能為單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力研究提供參考。

1" 單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力的實(shí)驗(yàn)研究

單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力研究的一個(gè)核心問題是節(jié)點(diǎn)破壞模式的確定，可能存在的影響因素包括水平板的厚度、水平板的長寬、上下靴板偏心距和上下靴板的厚度等。但由于過渡節(jié)點(diǎn)尺寸較大、加工困難，實(shí)驗(yàn)中往往只對(duì)少量試件進(jìn)行試驗(yàn)，難以全面分析各因素的作用。此外，受實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取的差異、實(shí)驗(yàn)裝置的限制等影響，部分研究未取得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.1" 節(jié)點(diǎn)板未發(fā)生破壞

楊垂瑋等[2]、陳旭陽[3]選取某輸電塔單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)，分析水平板、上下靴板的厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。試驗(yàn)制作5個(gè)不同幾何規(guī)格的試件，共計(jì)進(jìn)行3組試驗(yàn)。第1組為彈性階段水平板厚度對(duì)照試驗(yàn)，即靴板厚度不變，調(diào)整水平板厚度分別進(jìn)行彈性階段上拔、下載加載試驗(yàn)；第2組為彈性階段靴板厚度對(duì)照組試驗(yàn)，即水平板厚度不變，調(diào)整靴板厚度分別進(jìn)行彈性階段上拔、下載加載試驗(yàn)；第3組為破壞試驗(yàn)，即選取水平板厚度最小的試件進(jìn)行拉壓破壞試驗(yàn)；各試驗(yàn)組均在水平板和靴板布置應(yīng)變花及測點(diǎn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在各測點(diǎn)處隨著水平板厚的增加，應(yīng)變隨之減小。此外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使加載荷載超出設(shè)計(jì)荷載20%各測點(diǎn)位置仍未屈服，上拔破壞試驗(yàn)加載到設(shè)備最大行程試件仍未破壞，僅工裝夾具破壞，下壓破壞試驗(yàn)加載到2 600 kN試件未破壞。

楊利容等[4]選取某500 kV線路中單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拉壓試驗(yàn)，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可行性。試驗(yàn)制作3個(gè)不同幾何規(guī)格的試件，共計(jì)進(jìn)行兩壓一拉3組試驗(yàn)，各試件均在水平板、靴板以及角鋼處布置測點(diǎn)。3組試驗(yàn)均為角鋼與試驗(yàn)臺(tái)接觸端部屈曲或頸縮破壞，加載過程中水平板及靴板均未發(fā)生明顯變形，各測點(diǎn)未達(dá)到屈服。

此類試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往保留較大的安全裕度，使節(jié)點(diǎn)尺寸過大。此外，楊垂瑋、陳旭陽等試驗(yàn)結(jié)果說明了水平板厚度是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要控制因素。

1.2" 節(jié)點(diǎn)板發(fā)生彎曲破壞

徐再根等[5]選取3個(gè)單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)共制作8個(gè)試件，其中6個(gè)足尺試件分別做彈性階段拉壓試驗(yàn)，2個(gè)縮尺試件做拉壓破壞試驗(yàn)，各試件均在水平板和靴板相交區(qū)域附近布置應(yīng)變花及應(yīng)變片。

根據(jù)彈性試驗(yàn)結(jié)果，水平板上對(duì)應(yīng)上、下靴板的十字交匯處水平應(yīng)力最大，且水平應(yīng)力隨著距離增加而逐漸減小。破壞試驗(yàn)顯示由于上、下靴板存在偏心，當(dāng)荷載由靴板傳至水平板時(shí)，偏心彎矩較大而導(dǎo)致水平板發(fā)生彎曲變形，發(fā)生彎曲變形的水平板通過焊縫影響了上、下靴板，進(jìn)而導(dǎo)致上、下靴板出現(xiàn)明顯變形，如圖2所示[5]。

Ma等[6]選取某輸電塔單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)共制作2個(gè)試件，2個(gè)試件僅水平板厚度及尺寸存在差異，均進(jìn)行上拔試驗(yàn)直至試件發(fā)生破壞。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞模式均為水平板在上靴板側(cè)向上彎曲，在下靴板側(cè)向下彎曲，發(fā)生塑性彎曲變形破壞。分析各點(diǎn)處荷載-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，水平板屈服首先發(fā)生在上下靴板相交處。

隨著試驗(yàn)精度和試驗(yàn)技巧的提升，單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)證明受上下靴板偏心影響，靴板間的水平板承受較大的平面外彎矩，導(dǎo)致其發(fā)生塑性彎曲破壞，甚至可能引起靴板也產(chǎn)生彎曲變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加水平板厚度可以有效提高節(jié)點(diǎn)承載力，但由于試件數(shù)量有限，難以全面地分析各因素對(duì)承載力的影響，學(xué)者們采用有限元模型代替真型試驗(yàn)可以彌補(bǔ)這一不足，并取得了豐富的研究成果。

2" 單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力的理論分析及數(shù)值模擬

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生水平板受彎破壞，但無法排除其他可能的破壞模式，學(xué)者通過理論分析及數(shù)值模擬提出了不同的破壞模式，并相應(yīng)歸納了設(shè)計(jì)方法，基本可以劃分為以下4類。

2.1" 剪切破壞理論

楊利容等[4]對(duì)試件進(jìn)行有限元建模，發(fā)現(xiàn)水平板應(yīng)力梯度最大部位為上下靴板間區(qū)域，在拉壓荷載作用下水平板表面已經(jīng)屈服進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，但衰減很快，水平板內(nèi)部的應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，水平板有足夠的可靠性。由于水平板受力復(fù)雜，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，是設(shè)計(jì)過渡節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部分，可以按下式計(jì)算水平板厚度

式中：t為水平板厚度；V為水平板承受的剪力，按照節(jié)點(diǎn)軸向荷載1/2估算；l為上下角鋼連接區(qū)域的長度，可按雙角鋼的兩肢寬之和取值；fv為水平板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

剪切破壞理論提出時(shí)間較早，從近期研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，水平板主要發(fā)生塑性彎曲破壞。相較于水平板厚度，上下靴板間距往往較大，同一截面處水平板受上下靴板相對(duì)錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力將遠(yuǎn)大于剪切應(yīng)力，剪應(yīng)力一般不起控制作用，但當(dāng)上下靴板間距很小時(shí)，剪應(yīng)力作用不可忽視。

2.2" 失穩(wěn)破壞理論

朱昌建等[7]對(duì)某工程過渡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元建模，在模型中施加1/1 000的1階特征矢量屈曲變形作為初始缺陷，對(duì)比節(jié)點(diǎn)長細(xì)比、靴板厚度以及水平板厚度對(duì)承載力的影響。模擬結(jié)果顯示過渡節(jié)點(diǎn)以單-雙角鋼破壞為主，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板厚度較小時(shí)，構(gòu)件發(fā)生單角鋼彎曲失穩(wěn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)板厚度增加到一定值時(shí)，構(gòu)件發(fā)生雙角鋼彎扭失穩(wěn)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載力降低。節(jié)點(diǎn)承載力隨長細(xì)比增加而減少，靴板厚度的影響較小。此外，水平板由于受上下靴板相對(duì)錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的力偶作用，也存在局部受彎趨勢。過渡節(jié)點(diǎn)的承載力按下式確定

式中：N為軸心荷載設(shè)計(jì)值；φ為穩(wěn)定系數(shù)；A為構(gòu)件截面面積；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。使用時(shí)需先根據(jù)構(gòu)件尺寸計(jì)算換算長細(xì)比λω，再查表得到穩(wěn)定系數(shù)。

失穩(wěn)破壞理論認(rèn)為過渡節(jié)點(diǎn)以角鋼受彎扭屈曲破壞為主，這也符合楊利容等[4]的研究成果，該理論未能提供水平板的設(shè)計(jì)方法，可以作為其他節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)理論的補(bǔ)充。

2.3" 彎曲破壞理論

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為由于單雙角鋼形心對(duì)齊導(dǎo)致上下靴板存在一定的偏心，上靴板豎向荷載一部分通過上下靴板十字交叉處直接傳遞給下靴板，此處水平板屬于三向拉/壓應(yīng)力狀態(tài)，即使出現(xiàn)應(yīng)力集中也不會(huì)造成破壞；剩余部分豎向荷載通過水平板傳遞給下靴板，造成水平板在靴板邊緣存在較大的平面外彎矩，因此水平板容易沿靴板產(chǎn)生彎曲破壞。根據(jù)材料力學(xué)理論，水平板越厚越能抵抗平面外的荷載，因此彎曲破壞理論一般表現(xiàn)為以下形式

式中：t為水平板厚度；α為形狀系數(shù)；M′為截面等效彎矩；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。不同學(xué)者對(duì)形狀系數(shù)和截面等效彎矩的計(jì)算方法存在一定差異。

余亮等[8]、Ma等[6]建立鄰邊支承板模型，將下靴板視作兩臨邊的固定支座，下靴板視作不均勻線荷載加載到水平板上，水平板視作兩臨邊固定、其余邊自由的矩形板。將上靴板應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的荷載等效為均布荷載求得等效彎矩M′，根據(jù)上下靴板偏心距e與區(qū)塊邊長b的比值擬合得到形狀系數(shù)α，并考慮了焊縫導(dǎo)致的塑性發(fā)展延遲效應(yīng)。

徐再根等[1，5]先假設(shè)水平板所承受的彎矩全由某方向靴板傳遞的豎向應(yīng)力產(chǎn)生，再通過擬合確定該計(jì)算彎矩與水平板模擬最大彎矩的比值，得出水平板實(shí)際承受的最大彎矩，同時(shí)考慮靴板豎向荷載分布不均勻提出彎矩強(qiáng)化系數(shù)。

楊垂瑋等[2]、陳旭陽等[3]采用積分思想求解上下靴板對(duì)水平板的慣性矩比值，同時(shí)利用有限元仿真計(jì)算找出水平板處彎矩沿水平板長度的分布規(guī)律，選取部分滿足平截面假定區(qū)域得到了彎矩比值與慣性矩的關(guān)系，再等效到整個(gè)水平板上，就可以利用材料力學(xué)原理求得水平板承載力了。

李亮等[9]同樣采用選取水平板滿足近似平面假定的范圍，進(jìn)而求解靴板和水平板的彎矩分配系數(shù)，最終可以得到水平板的等效彎矩方法，擬合得到了承載力計(jì)算公式。但為了工程應(yīng)用簡便，建議水平板厚度t取不小于單角鋼肢厚減2 mm。

彎曲破壞理論與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合，且計(jì)算公式十分簡潔，得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可。但由于豎向荷載沿靴板的分布不均勻，靴板邊緣的彎矩目前尚無精確計(jì)算方法，大多數(shù)學(xué)者采取擬合求解的方法來考慮節(jié)點(diǎn)幾何尺寸和荷載等效的影響，這也不可避免地導(dǎo)致不同研究中參數(shù)選取存在一定差異，目前尚無法達(dá)成一致，有待進(jìn)一步研究。

2.4" 屈服線法理論

薛曉敏等[10]認(rèn)為過渡節(jié)點(diǎn)中任一部件過大變形或材料屈服均將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)承載失效，即水平板或靴板形成屈服帶或主材角鋼發(fā)生屈曲均判斷過渡節(jié)點(diǎn)失效，3種失效模式一般不在同一時(shí)刻發(fā)生，而首次發(fā)生的失效模式對(duì)應(yīng)的荷載即為該過渡節(jié)點(diǎn)的承載力。對(duì)9種規(guī)格的過渡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元建模計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)在受拉和受壓情況下的承載力和破壞模式基本類似。

靴板和角鋼在既有規(guī)范中[11]已經(jīng)給出相關(guān)計(jì)算理論，該研究針對(duì)水平板提出一種利用屈服線法的計(jì)算理論。屈服線法的基本原則為：假定板塊以屈服線下產(chǎn)生塑性鉸，將原雙向板劃分為若干分塊，每個(gè)分塊間在屈服線轉(zhuǎn)動(dòng)條件下符合幾何協(xié)調(diào)關(guān)系，然后采用虛功原理或平衡方程來確定雙向板的極限承載力[12-13]。

屈服線法理論具有較強(qiáng)的理論性，力學(xué)概念清晰，承載力計(jì)算公式也較簡潔。但此方法也存在較強(qiáng)的前提假定，即極限狀態(tài)下水平板按照預(yù)設(shè)的屈服線發(fā)生變形，從本研究提出的水平板破壞模式和已有研究成果看，水平板失效時(shí)并未沿對(duì)角發(fā)生屈服，因此屈服線法理論尚需要進(jìn)一步修正和驗(yàn)證，是一個(gè)很有希望的理論方法。

3" 展望

就目前研究結(jié)果來看，單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)承載力主要影響因素為水平板的厚度，這也是大多數(shù)研究的重點(diǎn)，并取得了豐富的研究成果。但也應(yīng)該看到，仍有許多工作仍需要繼續(xù)深入，特別是上下靴板與水平板交叉區(qū)域，應(yīng)力梯度大，荷載分布不均勻，目前研究主要采用數(shù)據(jù)擬合的方式規(guī)避對(duì)該區(qū)域的理論分析。除此之外，靴板加勁板以及斜材對(duì)過渡節(jié)點(diǎn)承載力的影響目前尚無研究，靴板加勁板可以起到限制水平板與靴板間相對(duì)變形的作用，斜材則會(huì)使縱橫兩塊靴板上的荷載不再對(duì)稱分布，這在工程實(shí)際中的影響是不可忽視的，這些因素仍然需要進(jìn)一步研究發(fā)掘。

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Abstract： Transmission towers often adopt a structural type in which the upper single-leg angle main material is combined with the lower double-leg angle main material. At the single-double angle transition node， the center of gravity of the upper and lower main materials coincides， which will inevitably lead to eccentricity of the upper and lower gusset plates. There is no design method for such joints in the specification. This paper introduces the research status and current research progress on the bearing capacity of single-double angle transition joints， summarizes its main force characteristics and failure modes， and summarizes the experimental results and numerical models of single-double angle transition joints. Finally， the paper provides an outlook on the future research directions in this field.

作者簡介：田雪凱（1992-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)檩旊娋€路結(jié)構(gòu)。