施工孔对试验塔承载力影响研究分析

王松涛，夏 谦，吴海兵

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉430071）

0 引言

角钢构件广泛应用于输电塔结构中，失稳是其主要破坏模式。由于缺陷的客观存在，角钢的失稳呈极值型，我国钢结构设计标准［1］（GB50017-2017，以下简称“钢标”）中，考虑了1/1 000 杆长的初弯曲和残余应力两种缺陷对压杆稳定承载力的影响。

但在输电铁塔角钢构件上除了上述两种缺陷，还可能存在辅助抱杆孔、接地孔等孔洞缺陷。此外，在既有线路的改造加固项目中，也可能因改变节间布置而导致原构件节点上的约束孔变为非约束孔。

目前，国内外钢结构设计相关规范［1，6］仅考虑孔洞缺陷对角钢构件强度的削弱，而忽视了其对构件受压稳定承载力的影响。冷弯薄壁型钢领域虽有相关研究，但由于冷弯薄壁型钢与轧制型钢的屈曲模式不大相同，其研究结论无法直接应用［7-8］。

某工程铁塔进行真型试验时，由于辅助抱杆孔位置加工错误，铁塔主材构件在辅助抱杆孔处率先发生屈曲破坏，从而导致铁塔整体倒塌。

本文借助有限元软件ANSYS，对开圆孔单角钢构件进行了数值分析，结果表明：由于试验孔位相对设计孔位的偏移，导致构件的承载力下降了约12%，是导致试验塔提前破坏的直接原因。

1 试验塔情况

1.1 工程设计概况

某输电线路工程设计风速为160 km/h（10 m高3 s阵风），极导线采用四分裂钢芯铝绞线4×JL1/G3A-1250/70，对于靠近沿海地区，考虑导线防腐要求，采用四分裂铝合金芯铝绞线4×JL1/LHA1-800/550，两根地线均采用24 芯光纤复合架空地线（OPGW-120），铁塔采用格构自立式铁塔。杆塔设计采用ASCE 74美国输电线路结构荷载导则和ASCE 10 美国输电线路结构规范。

本次试验塔设计使用条件为：水平档距480 m，垂直档距600 m。试验塔呼高为54 m，试验工况共7 个，如表1所示，其中工况7为超载工况。

表1 铁塔试验工况Table 1 Tower test conditions

图1 某工程真型试验塔Fig.1 Tower test of a certain project

1.2 真型塔试验情况

真型试验塔顺利通过了工况1：断左地线；工况2：断左导线；工况3：右导线吊装；工况4：右导线锚线。

在进行第5 个试验工况：90 度风（最小垂直档距）试验时，在50%-75%-90%-95%加载阶段一切正常，100%加载持续17 s，第10段从上向下第一个节间D腿塔身主材与线路垂直的角钢肢率先发生屈曲破坏，从而导致铁塔整体倒塌。

试验结束后，对破坏位置的检查发现，第10 段C，D腿塔身主材均在辅助抱杆螺栓孔截面处发生了不同程度的撕裂。

图2 第10段塔身D腿主材率先屈曲破坏Fig.2 Buckling failure of leg D of the 10th tower section

图3 铁塔整体倒塌Fig.3 Global collapse of tower

图4 D腿的破坏位置Fig.4 Location of failure on leg D

1.3 破坏构件分析

1.3.1 破坏构件理论承载力分析

根据tower 软件计算结果表明：在90度风（最小垂直档距）工况下，进行100%加载时，破坏点应力比（应力与屈服强度比值）为80.5%，塔腿应力比为81.3%。

根据试验塔构件实测屈服强度，破坏点和塔腿钢材屈服强度分别为463 MPa和463 MPa，在90度风（最小垂直档距）工况下，对应的应力比分别为73.0%和74.5%。

图5 C腿的破坏位置Fig.5 Location of failure on leg C

根据塔腿应变片结果表明：应变约为1 749×10-6，可计算出塔腿应力约为349.8 MPa，应力比分别为83.3%（屈服强度取420 MPa）和75.5%（屈服强度取463 MPa）。实测数据与理论计算结果吻合较好。

在90 度风（最小垂直档距）工况下，进行100%加载时，破坏构件安全裕度分别为19.5%（屈服强度取420 MPa）和27.0%（屈服强度取463 MPa）。理论计算结果表明，该构件不会发生屈服破坏。

1.3.2 破坏构件实测数据分析

通过试验塔现场观察发现，第10 段塔身主材（受压的CD 腿）均在辅助抱杆螺栓孔附近发生破坏，如图4～图5 所示。破坏点主材规格为L160X14，材质为Q420。试验卸载后，为了查明破坏原因，现场第一时间对破坏点进行了如下工作：

1)现场选取破坏构件的不同位置进行测量，平厚度和肢宽符合图纸要求；

2）如图6 所示，破坏点附近塔身辅助抱杆螺栓孔中心到角钢肢背的距离为：126.6 mm，孔径25 mm，螺孔中心到肢背的距离与施工图94 mm不一致。辅助抱杆螺栓孔到角钢肢尖的净边距仅20.6 mm，远远小于施工图中设计的净边距。

图6 抱杆孔位置详图Fig.6 Holes for construction on construction drawings

综上所述，辅助抱杆的实际螺栓孔中心到角钢肢尖的净距仅为设计净距的50.6%，远小于设计净距，造成靠近螺孔的肢尖部位产生较大的应力集中。

2 有限元计算

2.1 有限元模型

模型采用三维8节点实体单元SOLID185建模，该单元可考虑弹塑性和大变形，适用于存在局部开孔等特殊构造的精细化有限元分析。材料本构采用理想弹塑性模型，弹性模量取E=206 GPa。为模拟构件的两端铰接约束，采用多点约束（MPC）技术，在模型两端各添加一个参考点，分别与角钢两端截面耦合，约束和荷载均施加在相应的参考点上［9］。

模型按照破坏构件的实际尺寸建模，构件截面规格L160X14（为便于计算，构件截面未考虑肢背和肢尖处的圆弧倒角），长度为1 313 mm，螺孔直径取25 mm，最上端孔距加载端345 mm，孔中心距为80 mm，残余应力和初弯曲等构件初始缺陷由于无法准确量得，在本模型中未考虑。有限元模型如图7 所示，为尽可能准确地模拟孔边的应力状态，对开孔局部进行了网格加密［10］。

图7 有限元模型网格划分Fig.7 Grid partition of the finite element model

2.2 试验荷载加载分析

模型加载值取构件承受的理论试验荷载F=1 332 kN，分别取屈服强度Fy=420 MPa 和460 MPa，孔位为试验孔位和设计孔位分别进行计算。

试验孔位和设计孔位条件下构件的有限元应力分布云图分别如图8所示。

可见，试验孔位条件下（图8），由于螺孔边缘距角钢肢尖仅20.6 mm，两种屈服强度情况下，孔边应力集中效应均已扩散到肢尖处，致使孔边到肢尖部分截面率先进入塑性区，构件刚度急剧降低，在开孔截面处产生较大变形。其中，Fy=420 MPa 时，构件未加载到100%即提前发生了破坏。

由图8（b）可见，圆孔边的应力塑性点率先在圆孔垂直荷载方向的象限点上产生，继而向外呈约45°角扩展的趋势，若孔边距过小，则可能导致整个孔边距范围全部进入塑性阶段。

图8 试验荷载作用下构件应力云图(试验孔位)Fig.8 Cloud picture of stress distribution under ultimate bearing capacity for test hole

图9 试验荷载作用下构件应力云图(设计孔位)Fig.9 Cloud picture of stress distribution under ultimate bearing capacity for design hole

而在设计孔位条件下（图9），虽然孔边应力集中效应同样存在，但由于螺孔距肢尖比试验孔位要大，孔边应力集中塑性区仅集中在构件弯曲主轴附近的孔边小范围内，构件边缘并未因为应力集中而进入塑性状态，对构件刚度削弱有限，构件应力分布相对均匀，总体变形也更小。

2.3 极限承载力分析

为进一步考量开孔位置对构件极限承载力的影响，分别取屈服强度Fy=460 MPa 和420 MPa，对比分析了无开孔，按试验孔位和设计孔位开孔的构件极限承载力，结果如表2。

可见，无开孔构件的有限元计算极限承载力比美标承载力高约2%，鉴于本次模拟忽略了构件中可能存在的初始残余应力等缺陷，可以认为模型计算结果较为准确。

由表2可知，由于试验孔位相对设计孔位的偏移，导致构件的承载力下降了约12%。

表2 不同螺孔位置下构件的极限承载力Table 2 Ultimate bearing capacity of member with different hole positions

各模型极限承载力情况下的应力云图及荷载-位移曲线如图10-图12所示。

由图10 可见，试验孔位条件下，孔边应力集中效应导致圆孔周边部分截面率先进入塑性屈服阶段，而由于螺孔距角钢肢尖较近，应力得不到充分的重分布，构件承载力难以充分发挥。其中，孔边到肢尖部分截面的率先屈服导致开孔处截面的刚度降低，变形增大，最终在开孔截面处发生弯曲失稳，这与试验观察到的失稳模式比较吻合。

图10 构件极限承载力分析(试验孔位)Fig.10 Analysis of ultimate bearing capacity of components（with test hole）

图11 构件极限承载力分析(设计孔位)Fig.11 Analysis of ultimate bearing capacity of components（with design hole）

图12 构件极限承载力分析(无开孔)Fig.12 Analysis of ultimate bearing capacity of components（with no hole）

而在设计孔位条件下（图11），虽然孔边同样存在应力集中效应，但由于圆孔靠近构件弯曲主轴，孔边应力集中导致的单元率先屈服对截面刚度削弱不大，构件失稳时整体应力重分布较为充分，其极限承载力大于试验孔位构件。

而对于无开孔的构件（图12），构件呈绕最小轴的弯曲失稳，且位移最大点在中间截面，失稳时整个构件肢尖大部分进入塑性，其承载力得到充分发挥，其承载力也最高。

3 结语

有限元分析结果表明，试验塔破坏构件螺孔外边缘距角钢肢尖距离仅20.6 mm，导致压力作用下，孔边的应力集中效应显著，孔边到角钢肢尖范围内截面率先进入塑性屈服阶段，使构件整体刚度降低，承载力相应降低，是导致试验塔提前破坏的主要原因。

设计中建议尽量避免对受压构件开施工孔，否则应验算其稳定承载力，并尽量使开孔远离肢尖并靠近节点。