杆塔结构两种主斜材连接节点研究

姜玉挺，潘连武，张 健，杨礼东,徐伟东

(1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021；2.国网辽宁省电力有限公司，沈阳 110006)

杆塔结构广泛应用于国内外的电网建设中，整塔分析一般采用有限元桁架模型，分析方法较为明确。但目前对于杆塔结构的节点分析尚不完善，很多节点构造主要依靠工程经验，或者过于保守，或者存在隐患，缺乏系统的理论分析[1-3]。

杆塔结构主材与斜材的节点连接形式多样，主要与主材肢宽、斜材杆端螺栓数量、设计习惯等有关。各级电压等级的输电杆塔中，斜材采用两个螺栓与主材连接的情况较常见。当主材肢宽较宽时，在满足构造要求的情况下，一般将斜材端头的两个螺栓直接打在主材上，不使用节点板，此种连接传力明确，操作简便。但是当斜材螺栓直接打在主材上而螺栓距主材肢尖的距离不满足构造要求时，斜材需要采用节点板与主材相连，这是十分常见的情况[4-5]。此种情况通常有两种构造方式,第一种是将内侧斜材最端头的螺栓打在主材上，第二个螺栓通过节点板与主材相连，但是由于节点板在主材外部，内侧斜材与节点板之间存在空隙，需添加一个与主材同厚的垫块；第二种是将内侧斜材的两个螺栓全部拉出主材通过节点板与主材相连，不需垫块，以上两种节点分别称为节点1与节点2。该两种节点都十分常用，但哪种节点的性能更优未有定论。本文基于某单回路500 kV工程，采用ABAQUS有限元软件建立足尺模型，对两种节点多方面性能进行对比分析，为今后的输电杆塔主斜材的节点构造提供设计依据。

1 力学性能对比分析

1.1 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元软件对两种节点进行模拟分析，严格按照构件尺寸与材质以及负头等空间位置关系建立模型，主材为Q420L140×10，上斜材为Q345L75×6，下斜材为Q345L80×6，节点板为Q345-8。螺栓与钢材之间以及节点板与钢材之间建立双向摩擦接触，切向采用库伦摩擦模型，法向采用“硬接触”，同时给螺栓施加预紧力。采用结构化网格划分技术对结构进行网格划分，单元类型选用C3D8R，考虑几何非线性与材料非线性对节点进行精细化分析[6-10]。考虑正侧面斜材的同时作用以及节点2的内侧斜材碰撞切肢情况，建立的两种节点足尺模型见图1。

图1 两种节点足尺模型

1.2 荷载与约束

有限元模型主材底部采用三向铰接约束，顶部约束平面外两个水平方向，轴向施加由整塔分析提取的轴向力。上下斜材通过建立局部坐标系将与杆长垂直的两个方向进行铰接约束，沿杆长方向施加轴向力，采用多荷载逐步施加，起始荷载为整塔分析提取的杆件轴力，上下斜材轴力等比例增加。

1.3 结果分析

节点1分析结果见图2，由于螺栓的应力较大，为了更好地显示杆件应力，在云图中将螺栓隐藏。由于内侧斜材的受压效应，主材与节点板受到挤压，产生较大的应变，进而达到屈服强度，直至破坏，此时施加于斜材的最大轴向力为112.3kN。主斜材中线交点处变形最大，为6.7mm。

图2 节点1分析结果(隐藏螺栓)

节点2分析结果见图3，受压下斜材两肢交点处由于变形较大首先达到屈服强度，之后其他斜材与节点板接触位置陆续达到屈服强度，直到节点因变形过大而不能继续承载，此时施加于斜材的最大轴向力为97.7 kN。受压下斜材两肢交点与节点板接触位置变形最大，达到27.9 mm，其次是拉出的上斜材两肢交点处变形较大。由于斜材拉出，受压时节点处会产生较大的面外变形，两肢交点离主材边缘越远，代表其悬挑越大，则其变形越大，进而导致节点破坏。

图3 节点2分析结果(隐藏螺栓)

以上结果显示，节点1由于节点板较小，杆件与节点板可以更好地协同传力，主材的强度与刚度对节点力学性能贡献较大；节点2由于节点板较大，节点的强度主要与节点板的面外变形有关，杆件与节点板协同工作效果较弱，节点1的承载能力高于节点2的承载能力15%左右，且节点1的刚度远大于节点2。

2 用钢量及安装对比分析

2.1 用钢量对比

节点2相比于节点1虽板型增大，但无垫块，同时斜材长度有所减少，两种节点具体用钢量见表1。

节点2质量较节点1增加0.54kg，所增质量对于杆塔结构用钢量而言基本可以忽略不计。

表1 两种节点用钢量对比 kg

2.2 安装便捷性对比

经过大量工程实践以及相关塔厂与施工单位反映，节点1由于存在垫块较节点2更不易安装，同时垫块容易丢失，部分施工单位以多个垫片来代替垫块，塔位安全性将存在很大隐患。同时节点1的主材内侧正侧面角钢一般存在相碰的情况，需要做切肢处理，这也增加了塔厂加工放样的工作量。

通过以上分析，在安装便捷性方面，节点2显著优于节点1。

3 结论

主材内侧斜材直接打在主材上的节点力学性能优于斜材拉出主材的节点连接，两种节点用钢量基本相当，内侧斜材拉出主材的节点施工便捷性明显优于斜材伸入主材内部的节点连接。就实际工程而言，塔身斜材一般由长细比控制，节点受力较小，考虑到切肢与安装的复杂性，推荐采用节点2的连接方式。横担下平面等部位的斜材长细比一般较小，节点受力较大，推荐采用节点1的连接方式。