钢管输电塔K型节点疲劳性能试验研究

龙 翔， 周 安， 盛宏玉， 何晓雄， 杨志明

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

随着同塔多回路工程、大截面导线工程、大跨越工程的不断建设，尤其是目前我国正在加强电网建设、推进全国联网和正在进行电网特高压升级，输电铁塔上荷载将越来越大［1］。特别是2008年初我国南方地区遭遇50a未遇的冰雪冻雨天气，输电铁塔破坏情况严重，从而对输电钢管塔的强度和安全性提出了更高的要求。

钢管结构的输电塔主要杆件大部分由钢管做成，主要优点是体型好、管迎风体型系数小、截面回转半径大且各向同性，因而杆件受压稳定性好、省材。而在钢管塔的设计中，跨越输电塔的高度均会达到100m以上，甚至更高（200～300m），其风荷载效应非常突出。

钢管插板节点是钢管塔在大型输电铁塔应用中塔柱和腹杆连接比较常见的形式。K节点U形插板如图1所示，由主管（塔柱）、支管（腹杆）、连接板、U形插板4部分组成，其中主管和连接板、支管和插板焊接成整体后通过螺栓连接。由于节点板的尺寸可以自由调整，并且螺栓连接施工简单，易保证质量，因此应用广泛。而钢管插板节点将空间力转化为平面力，往往在节点板和钢管相交或邻近的范围容易产生局部破坏［2］，另外由于采用螺栓连接的拼装方式通过钢板间摩擦传力，对于活载较大的钢管塔来说，即使外荷载远小于极限荷载的情况下也极可能发生疲劳破坏，因此对钢管节点的疲劳性能进行研究意义重大。本文研究K节点在疲劳荷载作用下的破坏模式、结构受力破坏的薄弱点以及结构的安全性能。

图1 钢管输电塔K节点示意图

1 试验概况

试验方案按照Q345的材料疲劳特性进行设计［3－4］。疲劳试验在合肥工业大学结构实验室进行，试验设备采用MTS液压伺服系统。试验分为静载试验、疲劳加载试验、静载破坏试验3部分。静力试验是为了测试试件的极限承载力，疲劳加载试验是本文的重点。

1.1 试件设计及试验装置

K节点试件为足尺模型，其构造如图2所示，材料均为Q345。

图2 K节点试件设计

试验中将节点竖直放置，加载图示及试验装置如图3所示。

图3 加载图示及试验装置

应变片（花）布置如图4所示。

图4 K节点测点布置

1.2 加载制度

静载阶段施加荷载工况为主柱受拉、上支管受压和下支管受拉。采用逐级加、卸载，加载级别见表1所列。

表1 静力加载方案

疲劳试验阶段荷载工况为主柱受1 500kN拉力，上下支管分别受如图5所示正弦波荷载。对于循环荷载工况，其频率模拟风荷载的主要卓越频率，取1Hz［5－6］。循环荷载的控制方法为应力等幅匀速控制。此处假定载荷－应力特性为线性的，载荷波形为正弦［7］。

图5 正弦波荷载

1.3 试验过程

现场安装好K节点，在预定位置粘贴应变片（花），布置位移计。在疲劳试验开始前做静力加载试验，重复做2次后开始疲劳加载，加载至5万次时停机检查，检查后进行静力加载试验。继续疲劳加载，加载过程测试指定位置的动态位移和动态应变。疲劳加载至35万次后停机，在做完一次静力加载试验后拆卸螺栓检查螺栓、焊缝以及连接板磨损情况，并重新装好再做一次静力加载试验。疲劳加载至50万次后不再进行疲劳加载，进行静力破坏试验，加载至构件破坏。

1.4 荷载值的确定

为了确定结构在等效静力风荷载作用下的效应，按（1）式计算输电塔塔身所承受的等效静力风荷载，将风荷载作用到节点上对结构进行静力分析，得到输电塔结构塔身主杆的内力［8］。WK＝βZμSμZW0（1）其中，WK为风荷载标准值；βZ为杆塔风荷载调整系数，对杆塔本身，当全高超过60m时，应按《建筑结构荷载规范》采用由下到上逐段增大的数值，但其加权平均值对自立式铁塔不应小于1.6，对单柱拉线杆不应小于1.8；μS为构件的体型系数；μZ为风压高度变化系数，一般按地面粗糙度B类计算；W0为基本风压，W0＝v2／1 600，v为基准高度的风速。

［9］中对铁塔的规定，利用整体桁架法计算得到风荷载作用时杆件内力如图6所示。

图6 内力计算结果

2 试验结果分析

2.1 静载应变

在疲劳试验间歇，为了监测各测点应力变化，停机进行静载应变测量，以便通过测点应变变化，及早发现开裂或其他异常情况。测点荷载－应力变化曲线如图7所示。

图7 测点荷载－应力变化曲线

从图7可以看出，测点应力在每次静载试验时呈线性变化，每次静载试验的应力数值差别不大，表明在疲劳荷载循环加载35万次过程中，钢管塔K节点U形插板连接构造未发生明显的应力重分布，说明构件处于安全状态［10］。

2.2 疲劳加载动应变

在试验进行过程中，选取了4个点作为动应变观测点。测点的实测动应力波形曲线如图8所示。从图8可以看出，测点的动应力随循环次数变化不大，动应力波形曲线比较光滑，说明测点在疲劳加载过程中受力无异常。

每次停机静载试验，检查试件未发现裂纹，在设计荷载作用下，50万次疲劳加载过程中也未发现试件有异常现象。

图8 测点动荷载－应力变化曲线

3 结 论

疲劳荷载循环后各测点的应力大部分和循环前的应力差别很小，说明结构在疲劳加载后应力重分布现象不明显，实测应力与荷载也大致呈线性关系。试验进行至17万次时，连接板与插板连接处发出金属撞击声，停机检查并根据文献［11］对螺栓施加大小为15 0N·m的扭力，后续试验过程中连接件间未出现缝隙或相对滑移。这表明选用适当的预紧力对螺栓连接的可靠性以及连接件的疲劳强度是有利的。疲劳试验表明，钢管输电塔K节点U形插板连接结构的疲劳强度符合设计要求。

［参考文献］

［1］董建尧，何 江，刘丽敏，等.输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计［J］.武汉大学学报：工学版，2007，40（Z1）：215－218.

［2］吴龙升，孙伟民，张大长，等.U型插板钢管连接节点承载力特性的非线性有限元分析［J］.南京工业大学学报：自然科学版，2008，30（1）：92－96.

［3］斯旺森.疲劳试验［M］.上海：上海科学技术出版社，1982：15－18.

［4］许世文，董满生，胡宗军，等.42CrMo钢疲劳试验研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2008，31（9）：1506－1508.

［5］GB 50009－2001，建筑结构荷载规范［S］.

［6］汪之松，李正良，肖正直，等.1 000kV双回路特高压输电塔顺风向等效静风荷载研究［J］.电网技术，2009，33（14）：6－11.

［7］郦 明，奥脱·布克斯鲍姆，哈茨·罗华克.结构抗疲劳设计［M］.北京：机械工业出版社，1987：141－144.

［8］邓洪洲，吴 昀，刘万群，等.大跨越输电塔结构风振系数研究［J］.特种结构，2006，23（3）：63－69.

［9］DL／T 154－2002，架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.

［10］程育仁，缪龙绣，侯炳麟.疲劳强度［M］.北京：中国铁道出版社，1990：25－30.

［11］GB 50233－2005，110～500kV架空送电线路施工及验收规范［S］.