輸電線路十字組合角鋼主材拼接性能分析

高淵，韓軍科，李清華

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192）

0 引 言

十字組合角鋼作為主材在220kV及以上輸電線路鐵塔中應(yīng)用廣泛，但相關(guān)研究不完善，僅局限于填板設(shè)計(jì)及承載力研究［1－3］。2008年，埃塞俄比亞電力公司與上海輸配電股份有限公司設(shè)計(jì)的400kV和230kV十字組合角鋼塔在中國(guó)電力科學(xué)研究院進(jìn)行了真型試驗(yàn)。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)十字組合角鋼主材的試驗(yàn)承載力與理論設(shè)計(jì)值偏差較大，多次出現(xiàn)受壓主材未達(dá)到理論破壞荷載就發(fā)生失穩(wěn)屈曲破壞的情況，塔腿下端表現(xiàn)更為明顯。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，主材內(nèi)外角鋼受力不均勻，塔腿根部主材節(jié)間內(nèi)外角鋼協(xié)調(diào)受力相對(duì)更差，這種受力不均勻性使十字組合角鋼主材的承載能力降低。

1 總體分析

為有效解決上述存在的問(wèn)題，本文將十字組合角鋼旋轉(zhuǎn)90°后與塔身側(cè)面斜材連接，拼接形式如圖1所示。為方便區(qū)分十字組合雙拼角鋼的2種拼接形式，規(guī)定圖1（a）所示為單角鋼拼接十字組合角鋼塔，圖1（b）所示為雙角鋼拼接十字組合角鋼塔。2種拼接形式主材構(gòu)件編號(hào)見(jiàn)圖1。

根據(jù)慣性矩平行軸定理［4］，2種拼接形式主材截面慣性矩計(jì)算如下：

圖1 十字組合雙拼角鋼布置Fig.1 Arrangement of cross－section combined double－angle steel splicing

式中：Ix0為十字雙拼截面對(duì)其平行形心軸x0的慣性矩；Iy0為十字雙拼截面對(duì)其平行形心軸y0的慣性矩；A為十字雙拼角鋼凈截面面積；k為塔身橫斷面主材軸線間寬度。

Ix1＝Ix2，Iy1＝Iy2（Ix1，Iy1對(duì)應(yīng)單角鋼拼接方式塔，Ix2，Iy2對(duì)應(yīng)雙角鋼拼接方式塔），2種拼接形式塔截面慣性矩一致，主材計(jì)算長(zhǎng)度亦一致。單從主材截面特性及計(jì)算長(zhǎng)度無(wú)法判斷2種拼接方式的優(yōu)劣，有必要考慮主材與斜材相連接后其整體傳力協(xié)調(diào)性的優(yōu)劣。

2 算例分析

本文選取500kV雙回路通用輸電鐵塔，桿塔呼稱高H為66.0m，總高為94.1m。鐵塔主材材料為Q420角鋼（2L160×14、2L180×16），采用雙拼十字組合截面，斜材及填板（十字焊）為Q345鋼或Q235鋼。比較十字組合角鋼不同拼接形式鐵塔結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并計(jì)算其極限荷載，以確定實(shí)際工程中采取何種拼接形式受力更合理，更節(jié)省材料。鐵塔建模采用多尺度模型［5－6］，殼體部分主材、塔腳板及其上節(jié)點(diǎn)板均用SHELL181殼單元模擬，螺栓連接用耦合模擬，梁桿部分主材用BEAM4單元模擬，斜材用LINK8單元模擬，主材與斜材連接于主材處節(jié)點(diǎn)板上，殼體與梁桿剛域連接。SHELL181殼單元適合模擬中小厚度殼結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力剛化及大變形功能，有強(qiáng)大的非線性功能。材料采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型MKIN，按實(shí)測(cè)材料強(qiáng)度曲線取值，考慮鋼材的包興格效應(yīng)［7－8］。

荷載工況取直線塔最不利荷載工況即60°大風(fēng)工況［9］。由工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知塔身變坡處及接腿處桿端彎矩最大，故多尺度模型中塔身部分變坡節(jié)間及接近接腿處節(jié)間主材采用殼體建模，其余部分均采用梁桿建模，另外，接腿處單獨(dú)建多尺度模型。有限元模型如圖2所示。接腿有限元模型分2種：等高接腿段（9.0m），高低接腿段（9.0m／4.5m）。為比較2種不同拼接形式十字組合角鋼主材塔的受力合理性，每種模型均建2種不同拼接形式，除主材布置形式不一樣，其他條件包括材料、規(guī)格和空間位置等均相同，另約束條件和荷載工況亦相同，單元網(wǎng)格劃分尺寸控制等均一致。

圖2 有限元模型圖Fig.2 Finite element model

多尺度計(jì)算模型共6個(gè)，有限元計(jì)算結(jié)果如下。

2.1 整塔

2種拼接形式整塔60°大風(fēng)工況下其整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。殼體部分主材構(gòu)件最大應(yīng)力及軸力見(jiàn)表1。雙角鋼拼接塔最大應(yīng)力出現(xiàn)在變坡處節(jié)間L0Z構(gòu)件上，為369MPa；單角鋼拼接塔最大應(yīng)力出現(xiàn)在變坡處節(jié)間L0N構(gòu)件上，為377MPa。2種拼接方式最大應(yīng)力百分比為97.88%。

圖3 整塔Von Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Von Mises stress nephogram of tower

2種不同拼接方式同編號(hào)腿主材兩組合角鋼的最大應(yīng)力和軸力百分比見(jiàn)表2。

由于在實(shí)際工程中，最大受力主材起控制作用，同時(shí)受壓比受拉更易導(dǎo)致主材破壞，這里2種連接形式均以0號(hào)腿的受力狀態(tài)做參考（0號(hào)腿為最大受壓腿）。從表2可以看出，在塔身部分，雙角鋼拼接方式同編號(hào)腿主材兩組合角鋼的受力均勻性明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。最大應(yīng)力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為11.7%及0.7%（分別對(duì)應(yīng)變坡處節(jié)間主材及接腿上節(jié)間主材），而單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為20.2%及0.8%，雙角鋼拼接方式明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。

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從殼體部分主材上截取4個(gè)軸向水平截面（如圖4所示），以各截面兩構(gòu)件角鋼頂點(diǎn)位移和的平均值為位移標(biāo)準(zhǔn)參考值，得出各截面構(gòu)件翼緣位移相對(duì)值見(jiàn)表3。從表中可以看出單角鋼拼接塔主材內(nèi)、外角鋼位移不協(xié)調(diào)，剛度分布不均勻（內(nèi)角鋼剛度大）；而雙角鋼拼接塔主材兩組合角鋼位移協(xié)調(diào)性較好，剛度分布較均勻，雙角鋼拼接塔主材位移的協(xié)調(diào)性明顯優(yōu)于單角鋼拼接塔。

2.2 等高腿接腿段

等高腿接腿段60°大風(fēng)工況下其整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示，從圖中可以看出主材應(yīng)力最大點(diǎn)并不是發(fā)生在螺栓應(yīng)力集中處（應(yīng)力最大部位并未出現(xiàn)在螺栓連接區(qū)域）。雙角鋼拼接接腿段與單角鋼拼接接腿段主材截面最大應(yīng)力均出現(xiàn)在0號(hào)受壓腿上，且均接近塔腳板位置。其中雙角鋼拼接接腿段最大應(yīng)力出現(xiàn)在L0H構(gòu)件上，單角鋼拼接接腿段最大應(yīng)力出現(xiàn)在L0N構(gòu)件上，雙角鋼拼接形式比單角鋼拼接形式主材截面上應(yīng)力分布更均勻。

圖5 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram

從表4可以看出雙角鋼拼接接腿段主材的最大應(yīng)力比單角鋼拼接接腿段主材的最大應(yīng)力平均要小10.79%，其整體最大應(yīng)力比單角鋼拼接接腿段整體最大應(yīng)力小1.75%。雙角鋼拼接接腿段主材受力比單角鋼拼接接腿段主材受力更均勻。

表4 主材構(gòu)件最大應(yīng)力及軸力（等高腿接腿段）Tab.4 Maximum stress and axial force of main component with the same height legs

2種不同拼接方式同編號(hào)腿主材兩組合角鋼的最大應(yīng)力和軸力百分比見(jiàn)表5。

以0號(hào)腿的受力狀態(tài)做參考（0號(hào)腿為最大受壓腿），從表5可以看出雙角鋼拼接0號(hào)腿主材雙角鋼受力更均勻（99.33%），單角鋼拼接0號(hào)腿主材雙角鋼受力均勻性稍差（98.86%）。雙角鋼拼接0號(hào)腿主材軸力均勻?yàn)?9.93%，而單角鋼拼接0號(hào)腿主材軸力百分比為97.80%，不是很均勻。最大應(yīng)力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差0.7%，單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差3.3%，因而雙角鋼拼接方式優(yōu)于單角鋼拼接方式。

表5 同編號(hào)腿主材最大應(yīng)力及軸力百分比（等高腿接腿段）Tab.5 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg（same height legs） （%）

2.3 高低腿接腿段

高低腿接腿段60°大風(fēng)工況下其整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von Mises stress nephogram

從表6可以看出雙角鋼拼接接腿段主材整體最大應(yīng)力比單角鋼拼接接腿段整體最大應(yīng)力小6.33%。雙角鋼拼接接腿段主材受力比單角鋼拼接接腿段主材受力更均勻。

表6 主材構(gòu)件最大應(yīng)力及軸力（高低腿接腿段）Tab.6 Maximum stress and axial force of main components with different height legs

2種不同拼接方式同編號(hào)腿主材兩組合角鋼的最大應(yīng)力和軸力百分比見(jiàn)表7。

同樣，只考慮0號(hào)腿的受力狀態(tài)做參考。從表7可以看出雙角鋼拼接形式（95.65%，96.47%）較單角鋼拼接形式（94.10%，94.51%）受力均勻。最大應(yīng)力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差4.7%，單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差13.7%，雙角鋼拼接方式明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。

表7 同編號(hào)腿主材最大應(yīng)力及軸力百分比（高低腿接腿段）Tab.7 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg（different height legs） （%）

3 結(jié)論及建議

（1）雙角鋼拼接方式塔身主材受力均勻性優(yōu)于單角鋼拼接方式。最大應(yīng)力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為11.7%及0.7%（分別對(duì)應(yīng)變坡處節(jié)間及接腿上節(jié)間主材），而單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為20.2%及0.8%，雙角鋼拼接方式明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。

（2）單角鋼拼接塔主材內(nèi)角鋼與斜材相連接，外角鋼不直接與斜材相連接，內(nèi)、外角鋼剛度分布不均勻（內(nèi)角鋼剛度大）。而雙角鋼拼接塔主材的兩組合角鋼分別與各自一側(cè)斜材相連接，剛度分布均勻。塔架受力后，單角鋼拼接塔內(nèi)角鋼受力比外角鋼大，主材受力分布不均勻。而雙角鋼拼接塔傳力協(xié)調(diào)性好，兩組合角鋼受力基本一致，承載能力較單角鋼拼接塔高。

（3）接腿部分主材受力均勻性，雙角鋼拼接方式優(yōu)于單角鋼拼接方式，非等高腿表現(xiàn)尤為明顯，其最大應(yīng)力控制截面上2種拼接方式主材的最大應(yīng)力相差分別為4.7%和13.7%。

（4）考慮到實(shí)際工程中鐵塔結(jié)構(gòu)螺栓孔徑一般都要比螺栓直徑大1.52.0 mm［10－11］，塔架受力后，單角鋼拼接塔主材可能會(huì)發(fā)生非同步滑移（內(nèi)外角鋼剛度分布不均勻，造成受力不均勻），加劇其主材受力不均勻性。由于實(shí)體建模的復(fù)雜性和不確定性，本文數(shù)值模擬沒(méi)有計(jì)入螺栓滑移所帶來(lái)的影響。

（5）本文僅限于理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)論有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

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