输电铁塔受拉构件块剪计算方法研究

车 达，韩大刚，杨 洋，蒲 凡，马海云

（西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

螺栓连接是输电线路中常用的结构连接型式，铁塔杆件通过螺栓相互连接传力，其连接节点是输电铁塔的关键部位。近年来我国输电线路工程增多，螺栓连接处的性能研究得到了广泛关注［1-2］。在螺栓连接情况下，块剪破坏是最常见的失效形式之一。国内外学者对加固板、连接梁等主要节点的块剪进行了大量试验研究［3-5］，Kulak等人对试验结果进行了归纳总结［5］。Teh等人试验了双排螺栓连接下连接梁块剪情况，给出拟合公式［6］，并利用有限元仿真出单排螺栓连接下连接梁的块剪破坏模式，仿真结果与试验结果相当［7］。

美欧铁塔结构设计规范中均对块剪做出相应规定：当被连接的角钢肢翼上的螺栓图形中心线超出了角钢形心线时，须对构件的块剪进行校验［8-9］。DL／T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》 增加了块剪验算［10］。

规范中对单排螺栓块剪的破坏模式计算与试验结果存在一定差异；而双排螺栓连接作为铁塔连接常见的情况，在我国规范中并未给出其块剪的破坏模式和计算公式。

根据输电线路工程设计特点，结合以往加固板、连接梁等主要节点的块剪试验和研究成果，将《钢结构设计规范》中受拉构件块剪计算方法应用于输电铁塔，并鉴于工程中常使用双排螺栓，提出双排螺栓其块剪破坏模式，并给出了计算公式。

1 单排螺栓连接的块剪计算

DL／T 5154—2012的块剪破坏示意如图1所示。

图1 受拉构件块剪示意

块剪计算公式为

式中：N为可承受最大拉力；fv和f分别为钢材的抗剪与抗拉强度设计值；Av为抗剪面；At为抗拉面；t为角钢厚度；a、b、c分别为扣除螺栓孔后的螺栓端距、螺栓间距和螺栓边距。

该计算方法与加固板和连接梁块剪试验现象［5-6］存在一定差异，图1中II段破坏面在实际情况下与水平方向存在一定夹角，如图2所示。

图2 受拉构件块剪示意

GB 50017—2003《钢结构设计规范》规定连接节点处板件的强度计算公式根据角钢杆件桁架节点板的试验研究拟合而来［3］。具体计算公式为

钢规的块剪计算公式为

可 见 ，DL／T 5154—2012 和 GB 50017—2013的块剪计算公式差异为抗拉折减系数B。

1.1 不考虑螺栓孔的影响

当不考虑螺栓孔的情况下，即图2中d为0时，折减系数B为

1.2 考虑螺栓孔的影响

实际的输电铁塔设计时，须考虑螺栓孔对块剪计算的影响，折减系数B的计算方法为

式中，当L／d确定时，则存在相应的α角度，使系数B为最小值。目前输电线路工程中，常用角钢规格对应的螺栓布置方式和应用规格如表1所示。

表1 螺栓布置和规格

其中L40～L110采用单排螺栓连接，当螺栓为标准布置时［11］，Bmin如表 2 所示。

表2 单排螺栓连接下最小折减系数

根据表2，单排螺栓连接下抗拉折减系数Bmin取值范围为0.97～1.00。当折减系数B为最小值时，可承受拉力最小。Bmin对应的抗拉段危险截面与拉力轴线的夹角α 取值范围为 64°～77°或 103°～116°。

为验证理论分析的合理性，采用有限元分析工具，以角钢为例验证分析。构件采用两颗螺栓单排连接，钢材料设置考虑塑性硬化及塑性变形。三维实体计算单元采用ABAQUS单元库中4节点四面体单元（C3D4）。仿真结果如图3所示。

图3 块剪有限元仿真结果

应力主要集中于夹角α为65°和110°左右两处区域内，破坏模式同理论分析基本一致。

综上，铁塔设计规范中单排螺栓连接下块剪破坏模式与实际存在一定差异，计算结果偏大，推荐单排螺栓情况下块剪计算公式为

式中：n为螺栓数；B折减系数推荐取值为0.97。

2 双排螺栓连接的块剪计算

角钢构件肢宽大于125 mm，双排螺栓连接是最为常见情况，但DL／T 5154—2012未明确给出其的块剪破坏模式和计算方法。根据以上理论对双排螺栓连接的块剪破坏模式和计算方法进行研究。

2.1 螺栓数目为偶数

根据加固板和连接梁块剪试验现象［5-6］，双排螺栓（偶数）连接下角钢可能的破坏模式有两种，如图4所示。

根据式（2）和式（8），图 4（a）沿螺栓连线破坏和图4（b）不沿螺栓连线破坏两种破坏模式可承受最大拉力N1和N2计算公式分别为：

图4 双排螺栓（偶数）块剪示意

2.1.1 折减系数的确定

根据式（8），双排螺栓（偶数）连接情况下，At段的折减系数B仅与L1／d有关。角钢肢宽L125～L300范围内，双排螺栓连接时，当肢宽＜160 mm时，选用M20螺栓，肢宽≥160 mm时，选用M24螺栓。当螺栓为标准布置时［11］，双排螺栓（偶数）连接情况下折减系数Bmin如表3所示。

表3 双排螺栓（偶数）情况下最小折减系数

由表3可知，双排螺栓（偶数）连接下，最小折减系数Bmin取值范围为0.96～0.98。Bmin对应的抗拉段危险截面与拉力轴线的夹角取值范围为63°～67°或113°～116°。

2.1.2 破坏模式的确定

根据式（10）和式（11），图 4（a）沿螺栓连线破坏模式允许最大拉力N1与图4（b）不沿螺栓连线破坏模式N2的差值为

当螺栓为标准布置时［11］，可承受最大拉力的差值N2-N1如表4所示。

表4 双排螺栓（偶数）情况下沿螺栓与不沿螺栓破坏模式最大拉力差

根据表 4，因为 tf＞0，所以 L125～L300范围内，N2-N1＞0。图 4（b）不沿螺栓连线破坏模式可承受最大拉力大于图4（a）沿螺栓连线破坏模式。双排螺栓（偶数）情况下，块剪破坏模式为图4（a）沿螺栓连线破坏模式。

2.1.3 有限元仿真

角钢构件规格为L280×20，采用四颗螺栓双排连接，仿真结果如图5所示。

应力集中区域除位于第一排和第二排最内侧螺栓连线方向外，第二排螺栓与肢端间应力主要集中于夹角α为65°左右区域内，破坏模式同理论分析基本一致。

2.2 螺栓数目为奇数

根据加固板和连接梁块剪试验现象［5-6］，双排螺栓（奇数）连接下角钢可能的破坏模式主要有两种，如图6所示。

图5 双排螺栓（偶数）块剪有限元仿真结果

图6 双排螺栓（奇数）情况下块剪示意

根据式（2）和式（8），图 6（a）沿螺栓连线破坏、图6（b）不沿螺栓连线破坏两种破坏模式可承受最大拉力 N1、N2计算公式为：

2.2.1 折减系数的确定

图6（a）沿螺栓连线破坏模式下折减系数B1仅与L1／d 相关，最小折减系数 B1min取值范围为 0.96～0.98。

图6（b）不沿螺栓连线破坏模式下折减系数B2仅与 Ld／d 有关。 当螺栓为标准布置时［11］，根据式（8），双排螺栓连接情况下最小折减系数B2min如表5所示，B2min取值范围为 0.95～0.96。

表5 双排螺栓（奇数）连接下最小折减系数

2.2.2 破坏模式的确定

根据公式 13、公式14，图6（a）沿螺栓连线破坏模式与图6（b）不沿螺栓连线破坏模式可承受最大拉力的差值为

当螺栓为标准布置时［11］，可承受最大拉力的差值N2-N1如表6所示。

根据表 6，N2-N1＞0，所以图 6（b）可承受最大拉力大于图6（a）可承受最大拉力。双排螺栓（奇数）连接情况下，块剪的破坏模式为图6（a）沿螺栓连线破坏模式。

2.2.3 有限元仿真

角钢构件规格为L280×20，采用5颗螺栓双排连接，仿真结果如图7所示。

应力集中区域除位于第1排和第2排最内侧螺栓连线方向外，第2排螺栓与肢端间应力主要集中于夹角α约65°和115°区域内，破坏模式同理论分析基本一致。

表6 双排螺栓（奇数）情况下沿螺栓与不沿螺栓破坏模式最大拉力差 kN

图7 双排螺栓（奇数）块剪有限元仿真结果

2.3 双排螺栓块剪计算

双排螺栓情况下，块剪的破坏模式为沿螺栓连线破坏，见图 4（a）和图 6（a），计算公式可归纳为：

当螺栓数为偶数时

当螺栓数为奇数时

式中：n为螺栓数；B折减系数推荐取值为0.96。

3 结论

根据输电线路工程设计特点，结合以往加固板、连接梁等主要节点的块剪试验和研究成果，对铁塔角钢构件块剪破坏进行了研究。

通过对比分析，将GB 50017—2013中受拉构件块剪计算方法应用于输电铁塔，并通过仿真验证该方法更贴近于实际工程。

单排螺栓连接下块剪的计算公式为：

式中：n为螺栓数；B折减系数推荐取值为0.97。

双排螺栓连接下块剪的计算公式为：

当螺栓数为偶数时

当螺栓数为奇数时

式中：n为螺栓数；B折减系数推荐取值为0.96。

通过对角钢构件块剪的研究，修正和完善了输电铁塔块剪计算方法，对进一步提升输电线路工程铁塔的安全性具有指导意义。