国外某500 kV双回路转角塔导线挂板螺栓受力分析

徐明鸣，袁 星，孙铭泽，王磊磊，曹 展

(1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，长沙 410007；2.国网江苏省电力工程咨询有限公司，南京 210024)

近年在国家“一带一路”政策背景下，中国工程企业积极推进工程咨询业务国际化及“走出去”的战略，境外工程总承包、设计及施工等业务逐渐增多。同时在工程建设过程中面临诸多风险，尤其是非传统安全风险，如工程实体的设计经验或设计质量问题。本文以国外某500 kV双回路转角塔导线挂板螺栓断裂为例，通过进行理论计算和有限元数值模拟分析，得出了挂板处螺栓受力规律及建议措施。

1 导线挂板螺栓断裂状况

国外某500 kV双回路转角塔由工程所在国设计公司设计，设计风速35 m/s，设计覆冰0 mm，导线截面积为468 mm2(四分裂)，地线截面积为168 mm2，允许转角为0°～20°。铁塔设置4层横担整体呈鼓型结构，铁塔构件均采用角钢，其材质采用S355JR(力学性能类似国内Q345材质)及S235JR(力学性能类似国内Q235材质)，螺栓采用8.8级M16 mm、M20 mm及M24 mm，结构计算及材料参数采用BSEN1993-1-8—2005《欧洲规范3钢结构设计第1—8部分》。导线横担采用“尖嘴”的型式，两主材角钢尖端无焊接及侧向螺栓连接，导线横担下平面的挂线处设置一块挂线板连接下平面主材，单肢设置3颗8.8级M16 mm螺栓。

该塔实际转角19.7°，架线作业前五相导线紧线完成且弧垂调整完毕，当右下相导线紧线时发生突然发生导线挂线板上6颗螺栓全部剪断，导线挂线板脱落且横担主材严重弯曲变形的情况，脱落的导线挂线板完整无断裂，其螺孔壁未有明显变形。

2 设计分析

2.1 设计荷载条件

设计文件提供的导线安装荷载具体为安装导线时水平力荷载为64.590 kN，纵向力荷载为242.660 kN，垂直力荷载为239.200 kN。

2.2 理论计算分析

2.2.1 单螺栓承载力计算

根据EN 1993-1-8—2005《钢结构设计 第1—8部分：节点设计》标准，1颗M16 mm且性能等级为8.8级螺栓抗拉强度为800 N/mm2，屈服强度为640 N/mm2，剪切强度为480 N/mm2。材料分项系数为1.25(考虑到材料性能的离散性)[1]，由于螺栓破坏位置不在螺纹处,螺栓毛截面积为201 mm2，根据公式[2](1)计算出螺栓的抗剪设计荷载值为77.18 kN。

(1)

式中：FV为螺栓抗剪承载力；γm2为材料分项系数，取1.25；αV为螺栓剪切与拉伸相关系数，取0.6；fub为螺栓抗拉强度；A为螺栓毛截面积。

2.2.2 螺栓群承载力计算

螺栓群分布见图1。假定螺栓群形心位于图1中O点，即XOY坐标系原点，纵向力通过形心，水平力相对形心存在偏心，各螺栓到形心的距离见表1，rx为各螺栓到形心的X方向距离，ry为各螺栓到形心的Y方向距离。

图1 螺栓群分布

表1 螺栓群到形心距离 mm

在偏心矩作用下，根据螺栓受力大小与其到形心的距离成正比关系：

(2)

平衡条件：

(3)

(4)

(5)

在考虑纵向力和水平力共同作用下，横担导线挂板螺栓群受力见表2，Nx、Ny分别为螺栓X和Y方向剪切力。

表2 螺栓群受力结果 kN

根据螺栓群理论计算且考虑荷载偏心影响，可知4号螺栓综合剪力最大为66.85 kN，未超过单颗螺栓的抗剪设计值77.18 kN。

2.3 有限元数值计算

2.3.1 原设计图分析

采用Abaqus有限元数值分析导线挂板螺栓受力情况，按设计图纸尺寸建立导线横担下平面主材、挂线板和螺栓的实体模型见图2[3]，螺栓群标号见图3。

图2 有限元模型

图3 螺栓位置标号

计算结果显示，各螺栓受力不均匀程度较大，螺栓之间受力差异明显，并非理论计算中的均匀受力状态[4]，螺栓群Y、X方向剪应力柱状图见图4、图5。4号螺栓剪应力最大，其X方向与Y方向剪应力值分别为237.2 MPa、646.9 MPa， 3号螺栓剪应力最小，其X方向与Y方向剪应力值剪应力分别为37.9 MPa、181.2 MPa，3号螺栓对应方向剪应力分别为4号螺栓的6.26倍和3.57倍。

图4 螺栓群Y方向剪应力柱状图

图5 螺栓群X方向剪应力柱状图

图6为螺栓群综合剪应力柱状图。从图6可以看出，挂导线侧的3个螺栓(4号、5号、6号)较非挂线侧的3个螺栓(1号、2号、3号)的应力值大，前者螺栓平均值综合剪应力约为后者的1.38倍。其次螺栓从横担内到外，剪力呈现逐渐减少的趋势，内侧螺栓剪应力值约为外侧螺栓的2.64倍。主要分析为横向水平荷载使得挂线板产生偏心受力且形成弯矩作用在螺栓群中，弯矩产生的剪应力与纵向力产生的剪应力在内侧螺栓1号、4号处同向叠加，而外侧螺栓3号、6号处的这两种应力部分抵消，从而导致内外侧螺栓的受力不均匀性程度更大[5-6]。其中4号螺栓综合剪应力最大，其值为648.6 MPa，已超过螺栓剪切应力允许值480 MPa和屈服应力允许值640 MPa，会发生破坏。该处螺栓不能按理论计算中均匀承受剪力来设计数量，原图纸设计螺栓数量过少。

图6 螺栓群综合剪应力柱状图

2.3.2 临界螺栓数量计算

考虑挂线板处螺栓群受力不均匀性，采用Abaqus有限元数值计算该塔导线挂线板的临界螺栓个数。通过调整挂线板有限元模型螺栓数量，见图7、图8，当螺栓数量为10颗时，单个螺栓最大剪应力为476 MPa，此时处于设计承载安全范围内。螺栓数量为8颗时，螺栓最大剪应力为552 MPa，此时超出螺栓剪切应力允许值，说明该塔至少需要10颗8.8级M16 mm螺栓才能保证其受力安全性。螺栓群数量与螺栓剪应力对应关系见表3，Y、X方向最大剪应力不是同时出现。

图7 16颗螺栓群数值模型

图8 10颗螺栓群数值模型

表3 螺栓群数量与螺栓剪应力对应关系 MPa

2.4 挂线板螺栓受力分析

结合国内铁塔设计经验及真型试验情况可知[7]，横担采用“尖嘴”的形式，其结构体抗变形能力较差，易造成杆件变形及不均匀受力。挂板节点设置不合理，螺栓沿主材方向布置，两条受力线之间成夹角，前后螺栓不能共同工作且横担实际受力存在偏心，容易产生应力集中后先破坏一部分螺栓，最终螺栓全部剪切破坏。

该塔导线挂线处仅靠一块挂线板连接两个下平面主材，主材尖端无焊接或侧向螺栓连接。原设计未考虑此种结构布置形式产生的变形及额外应力，设计的6颗螺栓除了承载导线荷载、施工荷载外，还承担着协调两主材变形额外应力荷载。

3 结论及建议

a.按设计荷载分析，导线挂板螺栓存在明显不均匀受力现象。4号螺栓综合剪应力最大，其值为648.6 MPa，超过螺栓剪切应力允许值480 MPa和屈服应力允许值640 MPa，会发生破坏。该处螺栓不能按理论计算中均匀承受剪力来计算数量，图纸设计6颗螺栓，数量过少，至少应增加至10颗8.8级M16 mm螺栓才能符合设计要求。

b.“尖嘴”横担形式整体抗变形能力较差，易造成横担主材不均匀变形，产生安装次生应力，因此设计的6颗螺栓除了承载导线荷载、施工荷载外，还承担着协调两主材变形额外应力荷载，同时导线挂板螺栓群设置不合理，螺栓沿主材方向布置，两条受力线之间成夹角，前后螺栓不能共同工作，增加螺栓剪断的安全风险。

c.鉴于尖嘴型横担的受力不清晰，存在偏心、次弯矩、多次火曲等对多种结构受力不利因素，推荐110 kV及以上电压等级的铁塔横担采用梯形。

d.输电铁塔导线挂点处受力复杂，挂板螺栓群的设计应考虑螺栓受力不均匀性。