输电钢管塔空间KK型管板连接节点极限承载力

刘堃　李正良　尤军　涂胤

摘要：

空间KK型管板连接节点作为输电钢管塔中最主要的节点型式，其安全性是整个塔架结构安全的重要保证。相比较于平面K型节点，在考虑实际结构中节点空间效应后的KK型节点的受力性能更为复杂。在平面K型管板节点的试验研究基础上，对两类空间KK型管板节点展开参数化分析，重点讨论了节点几何尺寸参数和主管轴压应力比等因素对节点极限承载力的影响变化规律。结合大量有限元参数分析所得计算结果，并综合考虑各种因素对节点极限承载力的影响，提出了空间KK型管板连接节点在主管管壁局部屈曲破坏模式下的极限承载力建议计算方法。

关键词：

输电钢管塔；空间KK型；管板连接节点；极限承载力

中图分类号：TU392.3

文献标志码：A文章编号：16744764（2016）06007211

Abstract：

Multiplanar KKtype tubegusset plate connections are the main joint types in transmission steel tubular tower， the safety of the joints are critical to the entire tower. Compared to Kjoints， the mechanic characteristics of KKjoints are more complex after considering the multiplanar effects in the actual structure. Based on the bearing capacity test of Ktype tubegusset plate connections， parameterization analysis on the two kinds KKtype tubegusset plate connections are conducted respectively， the geometric parameters and the axial force of the main tube together with other factors on the influence of the ultimate bearing capacity of multiplanar KKjoints are studied in detail. According to the results of large scale finite element parametric analysis， and considering the influence of various factors on the ultimate strength of the joints， calculation formulas of KKtype tubegusset plate connections ultimate bearing capacity are proposed.

Keywords：

transmission steel tubular tower； KKtype； tubegusset plate connections； ultimate strength

近年来，中国的电网建设快速发展，输电线路的输送容量和电压等级不断提高，杆塔承受的荷载也越来越大，传统的角钢塔已不能满足发展的需要。钢管塔因具有风压小、刚度大、结构简洁、传力清晰等众多优点，在大跨越工程和特高压输电线路中得到广泛应用。输电钢管塔属于高耸的空间桁架结构，各钢管构件是由节点相互连接在一起的，杆件的传力完全通过节点来实现。因此，节点设计及其构造处理的好坏将直接影响到钢管塔整体受力性能。节点破坏后会带来一系列连锁效应，导致从局部到整体的连续破坏，因此，安全可靠性对整个塔架而言至关重要[1]。

目前，在输电钢管塔节点的构造连接方面普遍采用管板连接方式，但对此类节点受力性能的研究还很少，缺乏相应的设计理论用于指导工程实践。更为重要的是，以往所进行的研究主要是针对平面K型管板节点，对于空间KK型节点的研究非常少 [25]。因实际输电钢管塔结构中的该类管板节点不是平面K型，而是空间KK型的，在考虑实际节点的空间效应（包括：几何空间效应和荷载空间效应）后，其受力情况和破坏模式更为复杂[6]。通常情况下空间KK型管板节点呈现以下3种破坏模态：1）主管管壁钢材受力下局部超出弹性阶段产生塑性变形而破坏；2）节点板过早破坏导致节点丧失承载力的局部失效破坏；3）上述两种情况并存下的破坏模式。但截止到目前为止，相关規范[79]还没有专门方法来计算这类节点的承载力。本文依托实际工程，研究在第一类破坏模式下输电塔空间KK型节点的极限承载力。

1K型管板连接节点承载力试验研究

1.1试验样本

以现工程常见的K型管板节点承载力试验为基础展开后续讨论，试验如图1所示。主管和支管的尺寸分别为219×6和133×6，K型节点中承压支管和受拉支管与主管夹角分别为45°和50°，主管长2 m，其中：在节点板与主管相交的上下端部位置设置了1/4环形加强板。各节点试件所用材料均为Q345钢，具体尺寸参数如表1所示。

应变的变化随荷载逐渐增大呈现先直线后曲线的趋势，非线性变化是判断屈服的标准。当荷载继续增加，节点的塑性区进一步扩展，最终在主管与环板附近的塑性区域形成贯通，节点达到极限承载力状态。随着主管与支管上所施加荷载的不断增加，下端环板附近的主管区域首先进入屈服阶段。荷载继续增大，此区域发生塑性变形后内力重新分布，且扩大影响范围至节点局部明显变形而破坏。在整个加载过程中，环板、节点板、支管和插板等均未达到其极限承载力，没有发生破坏。endprint

从节点试件的破坏变形图中可以看出，节点试件的主管均在其管壁上的1号关键点处出现了局部凹陷，在2号关键点处出现了局部凸起，且2号点处的变形量较1号点处明显。但由于环板的加强作用，这两点处的变形量均较小；当节点达到极限承载力时，在受拉支管一侧的主管管壁与环板的相交处甚至出现了拉裂现象。

2管板连接节点有限元分析模型验证

采用ANSYS中的SHELL181单元建立节点有限元模型，模型的材料属性、边界条件和加载方式等均与试验相同。

5结论

对两类空间KK型管板节点进行了研究，通过有限元参数分析探讨了几何无量纲参数、主管应力水平等对节点极限承载力的影响变化规律：

1） 对于无偏心全环板KK型节点，全环板使得主管径向刚度得到增强，节点承载力显著提高。相比无环板节点，全环板KK型节点与对应K型节点承载力的降幅进一步增大。β变化对节点承载力影响很小；當D/t减小时节点承载力大幅提升；B/D增加对节点承载力提高作用很小；R较小时，R增加对节点承载力有明显提高，但超过一定值后，R继续增加带来的提高作用很小；tr增加仅在R较小时对节点承载力有明显提升；主管受压时，随着η增大，节点承载力直线下降。

2） 对于负偏心全环板KK型节点，采用负偏心连接基本不能提高节点承载力，相反会产生不利作用，在该类节点的设计中不建议使用负偏心的连接方式。

3） 结合大量有限元参数分析，针对无偏心全环板KK型节点，提出了基于主管控制的节点承载力计算公式；针对负偏心全环板KK型节点，在节点发生局部屈曲破坏模式下，提出了考虑负偏心作用的节点承载力计算公式。通过建议计算方法可以估算第一类破坏模式下节点极限承载力，用于指导实际工程设计。

参考文献：

[1]

杨建平. 架空输电线路钢管塔结构[M]. 北京：中国电力出版社， 2011.

YANG J P. Steel tubular tower structures of overhead transmission line [M]. Beijing：China Electric Power Press，2011. （in Chinese）

[2] 李明浩. 钢管塔插板节点与相贯线节点及试验设备的研究[D]. 上海：同济大学，2003.

LI M H. Studies on gusset and direct connections tubular joints of steel tower and testing machine for connections[D]. Shanghai： Tongji University，2003. （in Chinese）

[3] 黄誉. 输电线路钢管塔节点强度理论与试验研究[D]. 上海：同济大学，2010.

HUANG Y. Experimental and theoretical studies on steel tubular joints of transmission tower [D]. Shanghai：Tongji University，2003. （in Chinese）

[4] 邓洪洲，姜琦，黄誉. 输电钢管塔K型管板节点承载力试验及参数[J]. 同济大学学报（自然科学版），2014，42（2）：226231.

DENG H Z，JIANG Q，HUANG Y. Experimental investigation and parametric studies on ultimate strength of Ktype tubegusset plate connections in transmission towers [J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2014，42（2）：226231. （in Chinese）

[5] 白强，舒爱强，包永忠. 剪力对钢管塔K型节点局部承载力的影响[J]. 电力建设，2011，32（2）：1923.

BAI Q，S A Q，BAO Y Z. The impact of shear forces on the local bearing capacity of steel tubular tower Kjoints [J]. Electric Power Construction，2011，32（2）：1923. （in Chinese）

[6] 童乐为，孙建东，王斌，等. 空间KK形圆管搭接节点静力性能试验研究与有限元分析[J]. 建筑结构学报， 2013，34（2）：9198.

TONG L W，SUN J D，WANG B，et al. Experimental study and numerical analysis on static behavior of multiplanar overlapped CHS KKjoints [J]. Journal of Building Structures，2013，34（2）：9198. （in Chinese）

[7] 高耸结构设计规范： GB 50135—2006 [S]. 北京：中国计划出版社，2007.

Code for design of highrising structures： GB 501352006 [S]. Beijing：China Planning Press，2007. （in Chinese）

[8] 架空输电线路杆塔结构设计技术规定： DL/T 5154—2012[S]. 北京：中国计划出版社，2013.endprint

Technical code for the design of tower and pole structures of overhead transmission line： DL/T 51542012 [S]. Beijing：China Planning Press，2013. （in Chinese）

[9] 王肇民，马人乐. 塔式结构[M]. 北京：科学出版社，2004.

WANG Z M，MA R L. Tower structures [M]. Beijing： Science Press，2004. （in Chinese）

[10] LYU B H，CHEN Z Q，LI H，et al. Research on the ultimate bearing capacity for steeltubular transmission towers joints with annular plate [J]. Applied Mechanics and Materials， 2012，166：379384.

[11] 劉红军，李正良，白强. 基于负偏心的钢管插板连接的极限承载力[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2010，38（4）：112118.

LIU H J，LI Z L，BAI Q. Ultimate bearing capacity of steel tubegusset plate connections considering negative eccentricit [J]. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2010，38（4）：112118. （in Chinese）

[12] 刘红军. 特高压钢管输电塔插板连接K型节点的受力性能及承载力研究[D]. 重庆：重庆大学，2010.

LIU H J. Behaviors and ultimate strength of steel tubular Kjoints with gusset plate connections in UHV transmission tower [D]. Chongqing：Chongqing University，2010. （in Chinese）

[13] KIM W B. A study on connections of circular hollow section with gusset plate [J].Architectural Inst Korea，1997，13（3）：263271.

[14] KIM W B. Ultimate strength of tubegusset plate connections considering eccentricity [J]. Engineering Structures，2001，23（11）：14181426.

[15] YURA J A，EDWARDS I F，ZETTLEMOVER N. Ultimate capacity of circular tubular joints [J]. American Society of Civil Engineers，2014，107（10）：19651984.

（编辑王秀玲）endprint