输电塔T型组合角钢夹具型加固设计与仿真研究

2020-03-22董义义吴海兵曾二贤

湖北电力 2020年6期

董义义，吴海兵，曾二贤

（1.电力规划总院有限公司，北京100011；2.中南电力设计院有限公司，湖北武汉430013）

0 引言

随着我国电网建设的发展，输电线路已逐步从大规模新建迈入在役线路的维护和改造过渡阶段，杆塔作为输电线路的重要支撑结构，在全寿命周期内的安全健康状况尤为重要。输电杆塔处于露天环境中，杆塔结构承受交变反复荷载作用，容易产生性能弱化或退化现象，进而引起杆塔结构体系的破坏，加剧倒塔事故。因此，随着在役输电线路维护和升级改造需求日益旺盛，杆塔加固技术研究成为输电线路行业的一项重要课题。

在既有输电线路改造工程中，往往需要对不能满足使用要求的既有杆塔构件进行加固。目前，通常的加固方式多采用高空制孔或焊接工艺，该方式具有施工难度大、安全风险高、对原结构扰动大，安全性不可控等特点。因此，研究一种尽量不扰动原构件，且施工便利、操作性强的加固方案显得紧迫且必要。

目前，国内外学者对钢结构构件加固型式进行了一定的研究和探索，也取得了一些有价值的成果［1-20］。Brown J H（1988）等［2］对原角钢与新角钢并联形成十字组合截面进行理论分析；周文涛（2009）等［7］试验研究了背靠背方式十字组合角钢的加固效果；韩军科（2010）等［9］针对一字板十字型截面加固前后构件的承载力进行了对比分析；Lu C等［10］针对采用节点板拼接加固的角钢构件进行静载试验和有限元数值模拟分析；沈之容（2016）［11］针对在负载条件下焊接补强角钢加固方型、T 型、Z 型和十字型四种截面型式后的稳定极限承载力进行了研究。可见，上述方案多采用焊接形式增大截面法的加固方式，不适用于输电杆塔现场无损加固的设计出发点。

螺栓连接和焊接加固的截面型式经一定构造转换后，可通过夹具实现无损连接。KOMATSU（2009）等［6］提出了一种采用加强钢板、抱箍夹具和高强螺栓对构件进行加固，如图1所示；连继业（2019）等［16］针对如图2所示的夹具加固十字型截面稳定承载力进行了试验研究；张戬（2019）等［17］设计了一种通过V 形卡具连接T型截面的加固方式，如图3所示。

图1 KOMATSU夹具型截面[6]Fig.1 KOMATSU section clamp

图2 夹具型十字型截面[16]Fig.2 Cross section clamp

综上所述，现有夹具型加固方案主要针对主材设计，不适用于输电杆塔斜材对加工和安装的要求。本文结合输电杆塔斜材的实际受力及构造特点，提出了一种能同时适用于主材与斜材的新型夹具型加固方案。

图3 夹具型T型截面[17]Fig.3 T-section clamp

1 加固方案设计

对输电塔斜材，尤其是有辅助材支撑的交叉斜材，由于其总有一肢内外两面均有连接节点，要想实现近似全长加固，只有T 型截面具备可实施性。结合输电铁塔的构造特点可知，T 型截面对各个位置的单角钢主、斜材均具有较好的适用性，是一种更为通用的加固截面型式。据此，本文设计了图4-图5 所示的新型T型截面夹具加固方案。该方案借鉴了传统十字组合截面的加固型式，在原角钢一肢上背贴一等规格补强角钢。两块角钢通过采用螺栓连接的两个内包钢和一块外贴板组成的夹具紧固相连。

图4 T型截面夹具型加固方案安装示意图Fig.4 Installation diagram of T-section clamp reinforcement method

从原理上说，该方案具有如下优点：

1）适用范围广。加固仅要求原角钢的一肢外表面供补强角钢供贴合使用，输电塔单角钢构件均可满足。

2）应用灵活。补强角钢长度可根据工程需求设计，具有灵活性。

3）连接可靠性高。连接夹具节点处连接刚度大，连接可靠。

图5 T型截面夹具型加固方案截面示意图Fig.5 Section diagram of T-section clamp reinforcement method

4）无损加固、施工便利。采用螺栓连接，无需现场制孔或焊接，对原角钢无损伤。

2 加固方案有限元分析

针对上述新型T 型截面夹具型加固方案，本节使用通用有限元软件ANSYS进行数值仿真分析，研究分析了构件的受力和变形特征，并通过对比构件加固前后的稳定系数重点考察了角钢规格、长细比、加固比例、夹具数量对加固效果的定量影响。

2.1 有限元模型与参数设置

2.1.1 模型概述

对图4 所示的加固方案，采用3 维10 节点实体单元solid92 建立了如图6 所示的实体有限元仿真模型。原角钢与补强角钢的接触面采用标准（Standard）硬接触，接触单元采用conta174，目标单元采用targe170，其它接触面采用粘结形式。为模拟原角钢的两端铰接约束和施加轴向压力，采用多点约束（MPC）技术，在模型两端各添加一个参考点，分别与原角钢两端截面耦合，约束和荷载均施加在参考点上。

图6 加固方案的ANSYS模型Fig.6 ANSYS model of reinforcement method

计算模型的钢材牌号采用Q345，材料本构采用理想弹塑性模型，弹性模量E=206 GPa。网格划分采用自由网格划分，并利用智能尺寸控制技术（Smartsize）来控制网格的大小和疏密分布，最终网格划分结果如图7 所示。计算时，原角钢与补强角钢的初始缺陷均考虑L/1 000 的初弯曲而忽略残余应力的影响。计算采用弧长法，并设置荷载—位移曲线开始下降时结束求解，此时的荷载峰值点即对应构件的极限承载力。

图7 加固模型的网格划分Fig.7 Mesh of reinforcement model

2.1.2 参数设置

本次数值仿真计算重点考察了如下因素对加固方案效果的影响：

1）角钢规格：选取L70X5、L90X7、L110X8 三种角钢规格。

2）构件长细比：选取80、120、160三种长细比。

3）加固比例：即图8（a）中补强角钢长度与原角钢的长度之比，选取0.5、0.7、0.9三种加固比例。

4）夹具数量：选取2个、3个、4个三种夹具数量。

2.2 有限元模型结果

2.2.1 典型变形与应力云图

通过多种参数模型的计算，加固构件的变形与应力可总结为以下3种典型情况：

1）加固比例较小

图8 展示了加固比例较小时构件的典型变形（放大50 倍）及应力云图。从中可以看出，变形以绕加固后截面的最小轴的弯曲为主，但非加固的区域弯曲更明显，并伴有一定程度的扭转，应力在构件加固与非加固边缘附近较大。

2）夹具数量不足

图9 展示了夹具数量不足时构件的典型变形（放大50 倍）及应力云图。从中可以看出，由于夹具数量不足，原构件与补强构件的协同变形受到影响，会在跨中附近发生一定的脱开。整体来说，变形以绕加固后截面的最小轴的弯曲为主，应力在构件加固与非加固边缘附近以及跨中处较大。

3）加固比例较大且夹具数量足够

图10 展示了加固比例较大且夹具数量足够情况下构件的典型变形（放大50 倍）及应力云图。从中可以看出，原构件与补强构件有较好的协同变形，变形以绕加固后截面的最小轴的弯曲为主，应力在构件加固与非加固边缘附近以及跨中处较大。

图8 加固比例较小时构件的变形与应力云图Fig.8 Deformation and stress cloud diagram when the reinforcement ratio is small

图9 夹具数量不足时构件的变形与应力云图Fig.9 Deformation and stress cloud diagram when the number of clamps is insufficient

图10 夹具数量足够时构件的变形与应力云图Fig.10 Deformation and stress cloud diagram when the number of clamps is sufficient

2.2.2 加固效果

表1给出了构件加固前后稳定系数的ANASYS 分析结果，表中的φ 为稳定系数，i 为构件的截面最小轴回转半径，夹具间距为相邻两个夹具中心之间的距离。图11 与图12 将表1 中数据进行了归纳整理。从有限元分析结果上看，可以得出以下结论。

表1 加固构件ANASYS分析结果Table 1 ANASYS analysis results of reinforcement members

1）本方案对各类规格角钢的加固效果良好，分析模型中最差情况下加固后的构件稳定系数也增大了13.8%。

2）如图11 所示，本方案适用于各类规格角钢，且加固效果与角钢规格基本无关。

3）如图11所示，本方案加固效果随着长细比与加固比例的增大而显著增强。

图11 不同规格及长细比构件补强后稳定系数φ的分析结果Fig.11 Analysis results of stability coefficient φ of reinforced members in different specifications and slenderness ratio

4）如图12 所示，本方案加固效果与夹具的间距（中心距）有关，在同样的长细比与加固比例下，夹具间距越小，加固效果越大。从模拟结果来看，当夹具间距小于40i时，夹具能发挥很好的效果。

图12 角钢L70X5采用不同夹具数量稳定系数φ的分析结果(加固比例0.9、长细比120)Fig.12 The stability coefficient φ of angle L70X5 in different number of clamps(Reinforcement ratio 0.9,slenderness ratio 120)