输电线路铁塔曲臂T节点的增强方法及受力特性

屠 健, 张大长

(南京工业大学土木工程学院, 南京, 211816)

输电线路的安全稳定受到了国内外学者的广泛关注．张卓群等[1]探讨了输电线路的灾害形式及成因, 并从结构设计、数值分析和试验验证三个方面总结分析了塔结构优化、加固措施; 郑敏等[2]基于失效模式对铁塔进行优化,发现在完整失效路径上存在关键的破坏杆件,对关键杆件进行优化可有效提高结构的承载力; 金树[3]、张卓群[4]等基于蚁群优化算法提出了输电塔结构离散变量优化设计方法,该方法具有较好的实用性和通用性．在国际上,较多学者开展了输电塔足尺模型试验及数值模拟,研究覆冰荷载[5]、导线荷载[6-7]、地基不均匀沉降[8]、风荷载[9-10]等作用下塔材强度、稳定及破坏模式．Souza等[11]提出了一种优化铁塔尺寸、形状的算法,研究表明该算法能使塔重减轻6.4%．本文提出了一种在横梁与曲臂梁连接处设置斜撑的增强措施,并运用有限元分析方法探讨增强措施对结构传力路径及变形特性的影响,为此类增强方法在输电铁塔结构中的推广应用提供技术支撑．

1 模型及参数

1.1 试验装置

为加强横梁与曲臂梁的整体性,提高猫头塔塔头横梁的刚度,本文在横梁与曲臂梁连接处设计了一种角钢斜撑的增强措施,并以某特高压交流线路铁塔曲臂T节点为原型, 设计曲臂T节点缩尺模型．为实现构件长细比相似系数为1∶1, 取长度相似系数为1∶4,截面尺寸相似系数为1∶2, 模型其他相似参数通过量纲分析法确定,其中弹性模量和应力的相似系数均取1∶1,荷载相似系数取1∶4．为了保证缩尺模型构件的传力路径及端部约束与原型一致,模型采用螺栓和节点板结合的方式实现构件的连接,其中连接螺栓采用6.8M16．试件水平搁置,在横梁一侧施加水平力,加载装置如图1所示．为模拟平面T节点在塔架结构中的受力状态,在试件上方架设大角钢,通过锚杆与地面锚固,节点板上下侧垫放垫块,约束住节点板的平面外位移,试验过程中锚杆上的螺栓微微拧紧,并在接触部分涂抹润滑剂减小摩擦,确保平面桁架能够侧向自由移动．

1.2 加载方案

考虑到输电塔结构一般在弹性阶段工作,因此分别对有无设置斜撑的平面T节点模型展开弹性范围内的静力加载测试, 将主要受力斜材利用率达到约90%时的载荷作为试验加载值,对未设置斜撑和设置斜撑节点的试验加载值分别取为150, 220 kN, 采用分级加载,每级施加12 kN,稳定1 min后记录测点数据．

1.3 测点布置

为了掌握载荷作用下平面T节点的应变发展规律和变形特点, 在主材、斜材的肢尖处布置应变片, 应变片采用中航应变片BE120-5AA,最大有效应变均为3%,并在横梁和曲臂等关键位置处设置6个LTM系列直线位移传感器, 行程0～200 mm．应变片及位移传感器的布置见图1．

2 结果与分析

2.1 变形特性

图2为增强前后平面T节点加载端的荷载-位移曲线．从图中可以看出, 荷载-位移曲线具有明显的线性关系; 设置斜撑后, 荷载-位移曲线斜率增大了约1.67倍,说明结构刚度得到了有效提高．

2.2 应变发展特性

图3是受力最大斜材的应变发展曲线,斜材编号的具体位置见图1．从图3可以看出, 无斜撑的节点在施加至指定载荷时,斜材108和109应变发展较为迅速,其中斜材109肢尖处应变约为2×10-3, 而斜材104和105应变发展较缓慢, 应变小于1×10-3;而带斜撑的节点在施加至指定载荷时, 斜材104～106应变发展较为迅速,其中斜材104肢尖处应变达2×10-3,而斜材108应变发展较缓慢,应变小于6×10-4．此外,无斜撑结构的斜材108和109与有斜撑结构的斜材105和106应变发展比其他斜材快,且受压斜材构件端部单肢偏心连接处产生的弯矩明显地将受压构件截面分为受压区和受拉区．从斜材交叉位置的应变发展可以看出,受压斜材上侧肢受拉,受拉斜材下侧肢受压,表明在载荷作用下,交叉材朝地面反方向发生面外变形．同时,斜撑角钢的应变发展较快,且斜撑的存在能够有效分担斜材108和109的受力．

3 有限元分析

3.1 有限元模型

由于缩尺模型不可避免地产生缩尺效应,无法全面反映结构原有的力学特性,因此,利用ANSYS建立与原型尺寸一致的空间有限元模型．模型格构式曲臂两端采用铰接约束,横梁加载端铰接并释放加载方向的平动约束,加载端采用位移加载模式;角钢斜材及主材均采用梁单元BEAM188模拟;考虑到螺栓滑移量比较小,对结构承载力的影响较小,为了提高计算效率,模型忽略节点板及螺栓,有限元模型如图4所示．有限元分析考虑了几何非线性和材料非线性．钢材的本构关系采用三折线等向强化模型[12],并应用von-Mises屈服准则,材料强度采用材性试验值,如表1所示．弹性模量取200 GPa,切线模型取20 GPa,泊松比取0.3．

表1 材性试验结果

注: 材料试件尺寸应符合规范[13], 试件编号Q345-x表示厚为xmm的Q345板件

3.2 模拟结果

3.2.1 荷载-位移曲线

图5为模拟得到空间塔架节点的荷载-位移曲线．结果显示,设置斜撑后,结构的承载力及刚度都得到了较大的提高; 荷载-位移曲线没有明显的屈服段,破坏具有突然性, 实际工程设计中应合理控制主要受力构件的应力利用率,保证构件进入塑性后有足够的强度裕度．

表2给出了将有限元模拟结果与试验值的对比结果,其中试验模型的承载力取实际试验荷载施加值,有限元模型承载力值为极限承载力．可以看出,由于有限元模型忽略螺栓建模,有限元模拟得到的刚度值明显较试验值大;空间节点极限承载能力是平面缩尺模型的8倍,其刚度是平面缩尺模型的2倍,这与设计的缩尺比例相符,说明平面缩尺模型能较为准确地反映原型空间节点的承载力特性;设置斜撑后,结构刚度得到了较大程度的提高,与无斜撑结构刚度相比提升了近1.5倍．

表2 结构刚度

3.2.2 应力云图

图6给出了极限荷载作用下空间曲臂节点的von-Mises应力云图．从图6可以看出, 未设置斜撑的结构中主材及曲臂梁上的斜材应力较小,而靠近格构式曲臂的第3副斜材108和109的应力最大; 设置斜撑的结构中,远离曲臂梁靠近斜撑一侧的第2副斜材105和106应力发展最快,并发生屈服,而第3副斜材的应力明显变小．

从试验和有限元结果可以看出,设置斜撑之后,结构传力路径发生改变,对于无斜撑结构,靠近曲臂梁一侧的交叉材为薄弱部位,在荷载作用下,此处交叉材发生平面外失稳;设置斜撑后,靠近曲臂梁处的交叉材受力减小,而远离曲臂梁靠近斜撑一侧的交叉材受力增大,成为薄弱部位,在荷载作用下,此处交叉材易发生平面外失稳致使结构成为机构;横梁上的部分载荷通过斜撑有效地传递至曲臂梁主材处,提高了结构的承载能力．

4 结论

1) 设置斜撑对结构的传力路径及受力特性有较大的影响．在荷载作用下, 对于无斜撑的结构,靠近曲臂梁一侧的交叉材应变发展较为迅速;设置斜撑后,靠近曲臂梁一侧的交叉材应变发展明显变缓慢,而远离曲臂梁靠近斜撑一侧的交叉材应变发展明显加快.

2) 设置斜撑后, 横梁与曲臂的完整性得到了提高,横梁上的载荷通过斜撑传递至曲臂,结构刚度提高了约1.5倍．

3) 此类塔架结构的破坏具有突然性,在实际工程设计中,应合理控制主要传力构件的应力利用率,保证结构的强度裕度.