大规格角钢轴压杆件螺栓节点强度研究

苑士岩,姜玉挺,杨礼东

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

随着我国经济快速发展，用电量需求不断增加，大跨度、远距离、高电压等级的输电线路得到广泛推广应用，在这种情况下，对于塔身主材而言，常规角钢(肢宽不大于200 mm)很难满足使用要求，需要采用双(多)拼组合角钢或者大规格角钢。采用双拼和多拼组合角钢时，导致杆塔结构复杂，角钢之间受力分配不均匀，造成铁塔结构在加载到理论破坏荷载之前破坏，另外，螺栓通过厚度和层数量增加，给输电线路铁塔施工带来不便[1]。大规格角钢肢宽和肢厚均比较大，可以大幅度提高杆件的承载能力，与双拼或多拼组合角钢杆件相比，其传力清晰、质量更轻、施工安装简便，在特高压铁塔设计中得到了广泛使用。

对于大规格角钢轴心受压杆件强度计算问题，DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》给出了计算公式，对于双面双排和三排螺栓布置，净截面计算时分别减2个孔和3个孔。文献[2]指出，角钢螺栓连接节点受压时，破坏不会像受拉时那样发生锯齿形破坏，而是由于孔壁挤压破坏导致节点失效；在有限元分析结果基础上，提出角钢螺栓连接节点受压时，角钢构件的强度可以得到充分发挥，截面相当于基本无削弱，减孔数可取为0。

鉴于以上两种算法差异较大，本文将对大规格角钢螺栓节点进行数值模拟分析，根据理论分析和有限元计算结果，对DL/T 5154—2012的公式进行修正，为今后大规格角钢受压净截面强度计算提供一定的理论依据。

1 ANSYS有限元分析

1.1 有限元模型

为了研究角钢节点在压力作用下的受力性能，本文对不同角钢规格、螺栓型号以及螺栓布置形式进行有限元建模分析[3],见图1。根据计算结果，发现各种角钢节点的应力分布、变形特征以及破坏形态基本一致，这里仅对∟250 mm×22 mm规格角钢[4]，双排螺栓连接的角钢节点的计算结果进行详细论述，其螺栓采用8.8级M24 mm，螺栓孔径为25.5 mm，准距为100/200，螺栓间距60 mm。

图1 角钢有限元模型

1.2 计算结果及结果分析

对上述节点模型进行有限元计算，得到角钢节点的冯·米塞斯(Von Mises)应力分布、塑性应变以及轴向变形情况。

角钢节点Von Mises应力云图、塑性应变云图、轴向应力、轴向位移见图2。由2a可以看出，靠近加载端一侧的应力比较大，越远离加载端，应力越小，表现出较明显的应力梯度；而且最大应力出现在第一排孔后部与螺杆脱离的截面处。由2b可以看出，由于孔壁挤压导致孔前截面出现塑性变形，孔后截面在较小区域内受力由压应力突变为拉应力，表现出高度非线性，受力较为复杂。由2c可以看出，角钢节点塑性应变集中分布于孔壁与螺杆挤压处，而且前两排螺栓孔处的塑性变形较大，其余区域基本没有塑性变形；孔前由于孔壁挤压出现压缩塑性变形，同时孔后侧出现受拉塑性变形，由于钢材的孔壁挤压设计值较高，螺栓孔后侧截面强度成为确定角钢节点连接强度的重点部位。由2d可以看出，靠近加载端变形等值线倾斜较严重，远离加载端逐渐与角钢截面平行，表明角钢接头螺栓左高右低的排列方式使得变形不均匀；螺栓群处角钢变形较小。

(a).应力云图 (b).轴向应力

(c).塑性应变云图 (d).轴向位移

2 角钢节点受压分析

2.1 节点受压分析

对于角钢塔而言，螺栓连接(见图3)是最常用的节点连接方式，外力通过螺栓孔壁和螺杆承压传递。图3中，对左侧小钢板和右侧盖板施加相等的拉力或压力，螺杆和螺栓孔壁会在外力作用下接触，并通过它们相互作用来抵抗外力。取螺杆左侧小钢板作为脱离体，脱离体受力情况见图4，在压力作用下，除净截面承担部分压力(N1)外，还有一部分压力(N2)由螺栓孔壁承担，此时有N=N1+N2。

图3 钢板螺栓节点连接示意图

图4 脱离体受力示意图

由于螺栓节点受压特点，螺栓孔与螺杆接触传力部分受压强度提高，但是另一侧螺栓孔与螺杆分离处的截面削弱是真实存在的，在连接工作进入弹塑性阶段后，要对此处的板件净截面进行强度计算，以保证板件不发生强度破坏。

2.2 对规范公式修正

对双面双排、三排螺栓连接节点，见图5，所受压力为F，全部螺栓数量为n，毛截面面积为A，净截面面积为A0。根据2.1节的分析可知，图5中断面左侧截面受压强度高，不会发生受压破坏；对于图中断面右侧截面，其受力大小为(n-2)·F/n，截面应力为(n-2)·F/(n·A0), 与DL/T 5154—2012第6.1.1条公式对比可知，此表达式是对规范公式中的轴心压力设计值进行了折减，折减系数为(n-2)/n。对双面三排螺栓连接节点做相同分析可得，折减系数为(n-3)/n，将上述分析所得表达式整理得到轴心受压角钢杆件螺栓连接节点强度公式为：

图5 单角钢接头示意图

ψN/A≤m·f

(1)

式中：N为轴心压力设计值；ψ为轴心压力设计值折减系数，双排螺栓连接时取(n-2)/n，三排螺栓连接时取(n-3)/n；m为构件强度折减系数，按DL/T 5154—2012取值。

根据全截面受压强度与按公式(1)算得削弱截面受压强度相等的条件，分别推导出不同规格角钢两排和三排螺栓连接时的最少螺栓数量。当螺栓数量少于表1中数值，则不需要进行节点受压强度计算，当螺栓数量大于表1中数值，则需要进行节点受压强度的计算。由表1可知，对于角钢肢宽为220 mm、250 mm及280 mm的杆件，一端螺栓连接数量分别为大于等于17、19和22时，需要对受压节点进行强度计算，否则，不需要进行螺栓节点强度验算；对于相同规格角钢，是否需要对受压节点进行强度计算，仅与连接螺栓数量有关，与螺栓布置形式无关(需满足构造要求)，但是，三排螺栓布置的轴心压力折减系数更小。

表1 双排、三排螺栓节点信息表

3 结论

本文利用通用有限元程序ANSYS建立角钢轴心受压杆件螺栓节点模型，并进行非线性分析计算，将所得结果与规范公式计算结果进行对比分析，得到以下结论：DL/T 5154-2012规范公式计算结果偏于保守，不能充分发挥材料强度性能，本文提出的计算方法能够在保证角钢节点安全的前提下，充分发挥螺栓连接节点的强度；角钢螺栓连接节点的螺栓数量小于某个值时，截面的减孔数可取为0；超过这个值以后，可对轴心压力进行折减之后，进行净截面强度计算。