输电线路塔架结构连接节点加固研究

2024-05-07刘强徐冰卢本初

粘接 2024年3期

刘强徐冰卢本初

摘要：为解决输电线路塔架上部结构与基础连接节点加固的关键问题，采用ABAQUS建立该节点有限元实体单元模型，并考虑自然灾害下不同受力工况，并与原规范和现行规范的计算结果进行对比。研究结果表明，考虑上部结构加固后，该节点最薄弱处为靴板与主材连接螺栓剪切破坏，整体承载力裕度需加强。由此提出在不停电施工前提下，与上部结构主材加固型式匹配的节点加固方案，并通过实际试验进行了验证。节点加固研究成果有利于提高输电线路使用价值，也为同类装配式建筑节点加固研究提供了新思路。

关键词：输电线路；塔架；连接节点；加固

中图分类号：TM754;TU391

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0136-05

Research on reinforcement of connection nodes of transmission line towers

LIU Qiang1，XU Bing2，LU Benchu2

（1.Guangxi Society of Mechanics，Nanning 530001，China;

2.China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Nanning 530023，China）

Abstract：In order to solve the key problem of strengthening the connection nodes between the upper structure and foundation of transmission line towers，was used to establish a finite element real element model of this node，different stress conditions under natural disasters were considered，and the calculation results with the original and current specifications was compared.The research results indicated that after considering the reinforcement of the upper structure，the weakest point of the node was the shear failure of the connecting bolts between the shoe plate and the main material，and the overall bearing capacity margin needed to be strengthened.Therefore，under the premise of uninterrupted construction，a joint reinforcement scheme matching the reinforcement type of the main material of the superstructure was proposed，and verified by practical tests.This node reinforcement plan is beneficial for improving the service value of transmission lines and also provides new ideas for the research of node reinforcement in similar prefabricated buildings.

Key words：

transmission line;tower; connection nodes; reinforcement

目前对于输电塔架上部结构和基础的加固，国内外的专家已有了一些理论和试验研究。如

提出采用主角钢外侧并联不等边角钢的方式进行输电铁塔加固［1］；

研究了不同覆冰厚度和风速条件下铁塔本体最薄弱部位［2］；

对比了输电线路铁塔十字型，Z字型，T字型截面主角钢的加固效果［3］；

对塔身增设横隔面后的塔架局部结构进行了试验研究和有限元分析［4］；

对铁塔本体加固前后轴向应力与节点位移的关系进行了研究［5］；

研发了新型夹具将加固角钢与主材角钢紧密连接形成的T型组合截面构件［6］。

现有输电塔架加固研究集中在主材和基础方面，对承受关键荷载的输电塔架上部结构和基础之间的连接节点加固研究较少（以下简称“连接节点”），而现行规范仅对该节点的底板简化计算，其整体承载力裕度不明确。本研究选取了早期投运的 ZGU1型直线输电线路塔型作为研究对象，分析连接节点整体承载力和变形程度，在不停电施工前提下，提出安全可靠，经济可行的节点加固方案。

1 连接节点有限元整体分析

1.1 模型尺寸选取

根据ZGU1型输电塔施工图，连接节点实际尺寸见图1（a）和图1（b）；其中底板螺栓規格为M42，其余连接螺栓规格为6.8级M16，材质均为Q235钢材。

1.2 单元类型

ABAQUS包含的单元大多数都是结构单元，包括杆单元、梁单元、管单元、壳单元、实体单元等等，根据不同的分析目的和需求可选择不同的单元。在选取单元类型时，除了符合结构实际力学行为外，还需综合考虑模型的计算精确性和计算效率等，连接节点的模型拟选用壳和实体单元，然而壳单元一般用于模拟平板或者曲壳一类的结构，要比实体单元复杂得多，且对于板件宽厚比有大于10的要求，考虑到构件的实际形状和建模的便捷性，选用实体单元进行建模分析。

1.3 材料属性与模型装配

钢材在拉伸试验下得到的应力-应变曲线（σ-ε曲线），通常在ABAQUS中一般不会精确输入，而是采用简化模型代替。如双线性随动强化模型（BKIN）、多线性随动强化模型（MKIN 与 KINH）、非线性随动强化模型（CHAB）、双线性等向强化模型（BISO）、多線性等向强化模型（MISO）等。涉及的构件均为静力且单调加载，因此选用双线性等向强化模型［7］，强化阶段的折线斜率为0.03E（E为弹性模量）。因考虑主角钢已加强，视为刚体，与其连接螺栓采用6.8级，抗拉强度为600 MPa，屈服强度为480 MPa。其他钢材强度等级为Q235，弹性模量（E）取200 GPa，屈服强度取235 MPa，泊松比取0.3。单元网络划分采用扫掠划分螺栓模型与节点整体模型如图2（a）、图2（b）所示。

1.4 接触、边界条件及分析步设置

主角钢、螺栓、加劲板和靴板间采用接触连接，切向摩擦系数设置为0.2，法向为硬接触［8］。底板和靴板间采用绑定的方式连接，底板与基础连接设置为固端，进行有限元分析时忽略焊接质量及焊接残余应力对加劲肋连接的影响［9-10］。工程模型分析属于准静态问题，故采用显式动力学进行分析，因此本文的模拟过程分为初始应力平衡和显式动力分析2个阶段，频率设置为50 Hz。

1.5 荷载计算与加载设置

根据原设计规范的要求，对于正在运行输电塔架，可不考虑安装工况，各工况组合及受力计算结果如表1所示。其中，支座处x、y、z方向如图3所示。

通过计算，取各工况的最不利基础作用力，Fx=47.1 kN，Fy=50.22 kN，Fz=502.33 kN，主角钢方向上拔合力550.68 kN，如图3所示。按实际受力情况，幅值类型设置为“平滑分析步”。

1.6 结果分析

连接节点有限元整体分析如图4所示。

通过有限元软件ABAQUS得到的破坏情况如图4（a）所示，靴板与主角钢的连接螺栓在接触平面发生剪切破坏，由此得到极限承载力为769 kN，安全裕度约为40%。由图4（b）可知，当主角钢的竖向位移达到6 mm时，主角钢的螺栓发生剪切破坏，应增加主角钢螺栓的抗剪能力，从而提高节点的承载力。将节点底板按靴板位置分为4个区格，从图4（c）节点底板竖向位移云图可明显判断，最大竖向位移位置处于底板最小区格的自由侧边缘处。该处没有被破坏，故底板竖向位移不作为破坏准则的控制参数。

2 规范计算对比

为了分析上述节点有限元计算，与按规范计算的结果差异，选用节点底板厚度作为衡量承载力的主要对比参数，该节点的靴板和加劲板尺寸根据构造要求配置，根据原设计规范SDGJ 94—1990《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》，采用区格法计算该节点底板的厚度（t）：

t≥11.13T×ymax4bmin×f（1）

式中：T为底板上作用的拉力，N；ymax为底脚螺栓中心至主角钢的最大距离，mm；bmin为底板各区段中的最小宽度，mm。

根据现行规范［11］，采用屈服线法计算该节点底板的厚度：

t=max（t1，t2）

t1=1.21Tfy/rRLb1-y1+2b1y1-1（2）

t2=0.48Tfy/rRy2b2（3）

式中：T为底板上作用的拉力；L为区隔Ⅰ的加劲板的长度；b1为区隔Ⅰ的宽度；y1为区隔Ⅰ地脚螺栓中心至靴板的距离；y2为区隔Ⅱ地脚螺栓中心至靴板的距离；b2为区隔Ⅱ的宽度。

该连接节点受压时，由于靴板及加劲板的竖向刚度较大而底板的竖向刚度相对较小，底板和基础间的压力并非均匀分布，而是主要分布在靴板和加劲板附近，因此底板承受的弯矩相对较小，受压工况一般不控制节点底板的厚度［12］。故选取工况组合后的基础作用最大上拔力进行对比，计算结果如表2所示。

由表2可知，考虑连接节点整体受力和塑性性能后，有限元计算节点底板厚度的结果比规范设计相对偏小，更能充分发挥材料性能。而原设计规范的承载力裕度较大，现行规范虽然进行了改进，但是承载力裕度仍然偏大，故按规范简化计算节点承载力裕度与实际偏差较大。

3 加固方案设计优化

3.1 结构设计

经上述有限元分析，塔架与基础连接节点的破坏处为与主材连接螺栓抗剪不足，为增强连接节点螺栓的抗剪能力，使该节点加固的安全裕度与上部结构加固后的安全裕度匹配，设计如下3种加固方案。

3.1.1 提高螺栓抗剪强度及增加侧边螺栓抗剪力

施工图中节点与主材连接使用6.8级螺栓，经核算，该级别的螺栓不足以承受工况组合后产生的剪力，故加固方案一采用抗剪性能更好的高强螺栓，并考虑螺纹不进入剪切面。同时将单侧螺栓增加为双侧螺栓，对应靴板也对应开孔，新增抗剪螺栓与原靴板和加固后十字角钢相连，根据构造规范［13］要求，由于原靴板位置有限，考虑螺栓孔距和端距的最大、最小容许距离，仅能开2个孔。

3.1.2 增加承剪面数量

将原来单承剪面增加到双承剪面，即在原肢宽110 mm主角钢内侧，增加L100×10角钢，长度大于等于325 mm，内贴角钢的底部与节点底板进行焊接，该方案不仅需在L100×10角钢开孔，并单面焊接，施工难度相对较大。

3.1.3 增加螺栓孔的直径，加大螺栓规格

采用8.8级M20螺栓代替原6.8级M16螺栓，增加螺栓抗剪面积，需要现场从直径17.5 mm扩孔到21.5 mm，施工质量难以把控，而且对施工过程破坏镀锌层需重新恢复。

3.2 加固后连接节点有限元分析

加固后的本构模型与加固前保持一致，均为双线性等向强化模型。经测算，主角钢与节点连接螺栓采用10.9级的高强螺栓，加固的加劲板与底板按绑定设置。模型发生结构破坏时的应力云图如图5所示。

由图5可知，可以明显看到加固后依然是主角钢的连接螺栓发生剪切破坏，此时主角钢的上拔力约为1 045 kN，承载力约提高了35%。

4 真型试验对比

4.1 试验设计

为了验证有限元计算的合理性和连接节点的受力特性，按技术规范书的构造要求加工本试验试件，设置了未加固的连接节点和加固后连接节点对照组。为了得到该节点在试验过程中的受力情况，在底板和靴板布置了测点。应变片布置位置是根据有限元仿真计算得出的应变较大处，位移计布置是根据有限元计算在变形最大处进行设置，与此同时，在若干特征点也设置位移计作为适当的参照对比，用于测量底板变形的挠度。

本试验参照装配式钢结构连接方式试验的加载方式［14］，采用单调静力加载，加载过程采用分级加载，同时记录相应的荷载应变和位移值。按计算的极限荷载，对于试件位移和应变片应变尚未急剧增大的情况，以底板的最大竖向位移值大于等于1.5 mm作为停止加载的条件。

4.2 试验与理论分析结果对比

通过上述试验，得到连接节点在加载过程中的受力情况和变形数据。而有限元分析则可以通过数值模拟预测加固方案的效果，并得到节点的应力分布和变形情况，加固前的实验与理论分析数据对比如图6（a）和图6（b）所示，加固后的实验与理论分析数据对比如图7（a）和图7（b）所示。

由图6和图7可知，加固前后的节点均在角钢的连接螺栓处发生剪切破坏，切口平整，与有限元模拟结果一致。无论加固前还是加固后，承载力、主角钢竖向位移、较大的变形对比试验结果误差均为5%以内，计算结果与试验结果吻合度良好，说明有限元模型参数选择合理，分析结果准确可靠，可用于评估加固方案的准确性和可行性。

5 结语

（1）未加固连接节点的整体承载力裕度约40%，破坏条件是靴板与主角钢的连接螺栓在接触平面抗剪不足，连接节点的靴板、加劲板和底板的应力比相对较小，其底板最大竖向变形的挠度值小于0.2 mm，均不起控制作用，故对于连接节点加固需提高与主角钢连接螺栓的抗剪强度；

（2）采用连接节点的有限元实体模型分析，相比现行规范计算结果，更能如实反映连接节点整体承载力受力情况，随着基础作用力不同，底板厚度可减少8%～30%；

（3）对连接节点加固设计，采用三维实体单元有限元建模，结合受力分析和真型试验组装，不仅能验证有限元计算适应性，而且可有效检查连接节点加固后，各板件是否相碰、安装操作空间裕度，以及上部铁塔根开与下部基础根开是否匹配等实际应用的关键问题；

（4）通过不同加固方案的对比，设计了便于施工，安全可靠，经济可行的连接节点加固装置，可有效配合输电塔架上部结构的主角钢十字加固、一字加固或者夹具式加固等构造形式，使得加固装置、原连接节点和上部结构共同受力。该连接节点加固研究成果不仅有利于提高输电线路全寿命周期的使用价值，也为后续输电线路整体加固奠定了基础。

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收稿日期：2023-11-21；修回日期：2024-02-21

作者简介：刘强（1981-），男，硕士，高级工程师，主要从事输电线路结构设计研究；E-mail：lqiangirgg@sina.com。