角鋼塔空間TT型節(jié)點極限承載力研究

鞠彥忠，劉 磊

（東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

角鋼塔節(jié)點屬于空間桁架節(jié)點。目前對此類節(jié)點的研究主要集中節(jié)點板受拉上，對節(jié)點板受壓性能的研究還不算多。偏心節(jié)點板的受力性能數(shù)據(jù)很少，嚴重阻礙了對節(jié)點板偏心受力的研究。對于此類節(jié)點板的設(shè)計，是按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017－2003）進行穩(wěn)定驗算。此規(guī)范的驗算公式是根據(jù)趙熙元和李光照的雙角鋼焊接鋼桁架節(jié)點實驗結(jié)果得出的。因此，此規(guī)范公式只適用于軸心受壓的節(jié)點板的穩(wěn)定問題，并沒有考慮偏心作用。換句話，按此規(guī)范公式的條件角鋼塔的偏心連接不相符合。若是利用此公式驗算角鋼塔的節(jié)點板的穩(wěn)定，可能會使角鋼塔的節(jié)點板偏于不安全。而對于偏心節(jié)點板的設(shè)計，并沒有規(guī)范可以參照，設(shè)計人員通常按照工程經(jīng)驗設(shè)計；或者將節(jié)點板的承載力予以一定程度的折減來考慮節(jié)點板的偏心作用。

國內(nèi)的學(xué)者對節(jié)點板的研究，也主要集中在節(jié)點板的軸心受力上，研究的成果比較少。趙熙元等對鋼桁架外加式節(jié)點板進行光彈性實驗研究，研究了節(jié)點板上的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布及發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)節(jié)點板應(yīng)力集中在在節(jié)點板與弦桿之間的區(qū)域。同濟大學(xué)李明浩通過研究在軸力和附加橫向彎矩作用下，4種截面的塔柱節(jié)點的內(nèi)力分布，得出了節(jié)點板兩端處的壓應(yīng)力最大，節(jié)點板不同的長細比對最大應(yīng)力的值的影響很大。李光照對雙角鋼焊接鋼桁架節(jié)點板試件試驗研究，研究結(jié)果可以表明：節(jié)點板破壞形式分為兩種，即壓區(qū)發(fā)生壓屈破壞和拉區(qū)發(fā)生的撕裂破壞；在外荷載比較小時，節(jié)點板的塑性區(qū)域就首先出現(xiàn)在撕裂線或者壓屈線上，不斷地蔓延和擴展；節(jié)點板受壓的破壞原因是節(jié)點板的壓區(qū)內(nèi)壓屈線上，由于局部屈服而導(dǎo)致局部產(chǎn)生較大撓度后，導(dǎo)致鄰近的彈性區(qū)的不斷減少，最后發(fā)生失穩(wěn)破壞。

1 角鋼板節(jié)點破壞模式分析

為了考慮節(jié)點板的可能的破壞模式，固定角鋼的肢端長度為D＝159 mm，厚度為T，γ＝D/T，本節(jié)考慮節(jié)點板厚度Tp和角鋼的厚度Tj兩個變量對節(jié)點承載力的影響，α＝Tp/Tj，α為節(jié)點板板厚與角鋼的厚度之比。破壞模式見表1。

在角鋼厚度一定的條件下，選用何種尺寸的節(jié)點板，才能安全經(jīng)濟的發(fā)揮角鋼的作用，不讓角鋼沒有達到設(shè)計的強度就發(fā)生失穩(wěn)，這是一個安全和經(jīng)濟的雙重問題。根據(jù)上述表中的結(jié)果，可以得出一個結(jié)論，所要充分發(fā)揮角鋼的力學(xué)性能，角鋼厚度至少要節(jié)點板的 1.2倍，節(jié)點板厚度太小會使得角鋼提前發(fā)生失穩(wěn)，減少角鋼的強度安全儲備；節(jié)點太厚則會使得顯得浪費，會使得線路中鐵塔的顯著費用增加。

表1 偏心角鋼板節(jié)點板破壞模式

1.1 節(jié)點破壞準則

節(jié)點板破壞模式是典型的極值型失穩(wěn)，節(jié)點板的極限承載力，需要對節(jié)點板進行荷載－撓度進行分析。

根據(jù)極值型失穩(wěn)判斷準則，荷載位移曲線的最高點，即為節(jié)點板的極限承載力。節(jié)點板上靠近角鋼肢背處的部位，是最先失穩(wěn)的部位，加載初期，由于節(jié)點板處于彈性階段并且在平面外沒有約束，荷載位移曲線保持線性增長。當接近其極限荷載的時候，節(jié)點板的向外變形增長加劇，發(fā)生明顯的板外彎曲。

圖1 節(jié)點板荷載位移曲線

1.2 偏心作用對節(jié)點極限承載力的影響

節(jié)點板在壓力作用下，會發(fā)生節(jié)點板失穩(wěn)。由于節(jié)點的初始缺陷，使得節(jié)點板成為壓彎構(gòu)件，這加速節(jié)點板外的失穩(wěn)，會降低節(jié)點板的極限承載力的。

偏心作用包括兩個方面：一個是指角鋼自身引起的偏心作用，即角鋼的形心處于平面外，加載中心和形心不一致引起的偏心作用；另一個是角鋼和節(jié)點板處于單面連接，使得節(jié)點板處于平面外的偏心。這種偏心作用使得節(jié)點板在加載前就已經(jīng)存在初始缺陷，使得節(jié)點板在加載開始就發(fā)生平面外的變形的，發(fā)生極值型失穩(wěn)。當達節(jié)點板的極限承載力時，已經(jīng)不能再繼續(xù)承載更大的荷載，此時荷載要大大低于強度破壞時的荷載，偏心荷載會極大地降低了節(jié)點板的極限承載力。

1.2.1 軸心作用下節(jié)點板的極限承載力

作為對照組的軸心節(jié)點受壓實驗要比偏心作用下的節(jié)點板的板外位移要比后者多很多。從表2中也可以看出，偏心的極限荷載要比軸心節(jié)點極限荷載低20 %～30 %左右。從兩者的極限承載力的結(jié)果對比，可以看出，偏心荷載會使節(jié)點板極限承載力顯著降低，因此在設(shè)計中必須予以考慮，偏心作用是一個不可以忽視的問題。

表2 軸心作用下節(jié)點板的極限承載力

1.2.2 有限元結(jié)果與鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范結(jié)果比較

表3 有限元結(jié)果與鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范結(jié)果

這四組數(shù)據(jù)中，前兩組采用的節(jié)點板和角鋼的分別為6 mm和8 mm，這時候采用規(guī)范驗算，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)比較高，當節(jié)點板達到10 mm以上時候，按照規(guī)范計算的結(jié)果偏于不安全，這是因為，隨著節(jié)點板和角鋼的厚度的增加，導(dǎo)致節(jié)點的偏心作用影響較大，所以在設(shè)計中要特別注意。

2 幾何參數(shù)對節(jié)點極限承載力的影響

2.1 節(jié)點板厚度對節(jié)點承載力的影響

為討論節(jié)點板厚度對角鋼塔節(jié)點承載力的影響，將節(jié)點板厚度TP進行變參分析，設(shè)定角鋼厚度T＝6 mm，c＝100；角鋼長度L＝159 mm，節(jié)點板厚度分別為TP＝6，8，10，12 mm。各模型的荷載位移曲線見圖2，圖3為節(jié)點承載力與節(jié)點板關(guān)系曲線圖。

有限元結(jié)果表明，節(jié)點的極限承載能力和節(jié)點板厚度有直接影響。在角鋼參數(shù)不變的前提下，節(jié)點板厚度比較小時，節(jié)點板的失效模式會發(fā)生局部屈服而不是強度破壞；節(jié)點板的極限承載力隨著厚度的增加進行線性增長，因為節(jié)點板的側(cè)向剛度隨著厚度的增加而增大，其抵抗抵抗角鋼扭轉(zhuǎn)和板外側(cè)移的能力變強，失穩(wěn)的承載力值要大于彎曲承載力值，破壞模式發(fā)生改變，此時節(jié)點板大部分應(yīng)力超過屈服點進入塑性。

圖2 不同節(jié)點板厚度模型的荷載位移曲線

圖3 節(jié)點承載力與節(jié)點 板厚度關(guān)系曲線

2.2 角鋼寬厚比對節(jié)點板承載力的影響

圖4 不同角鋼寬厚比模型的荷載－位移曲線

圖5 節(jié)點承載力與角鋼 寬厚比的關(guān)系曲線

建立不同的角鋼寬厚比的有限元模型，其中：受壓角鋼肢端沿軸向到主材的凈距離c＝100，節(jié)點板厚度TP＝6，主材的寬度L＝159 mm，角鋼的厚度T分別為5，7，9，11 mm，對應(yīng)的寬厚比分別為31.8，22.7，17.7，14.5。各模型的荷載位移曲線如下圖4所示，圖5是節(jié)點極限承載力與角鋼寬厚比的關(guān)系曲線圖。經(jīng)有限元分析結(jié)果表明，節(jié)點板的極限承載力受角鋼的寬厚比很大的影響。其極限承載力隨著角鋼的寬厚比增加而不斷的減小。節(jié)點板側(cè)向約束效應(yīng)因為角鋼的厚度的增大而提高，板外變形減小，節(jié)點的承載力得到提高。角鋼的寬厚比和節(jié)點板厚度是相關(guān)的兩個因素。在節(jié)點板厚度比較小時，角鋼寬厚比對節(jié)點的承載力影響不明顯。而隨著節(jié)點板厚度增加，角鋼的寬厚比對節(jié)點板的約束能力影響會逐漸明顯。

2.3 角鋼肢端沿角鋼軸向到主材的凈距離對節(jié)點板承載力影響

建立不同角鋼肢端中心沿軸向到主材的凈距離c的有限元模型，其中角鋼長度L＝159 mm；角鋼厚度T＝5 mm，節(jié)點板厚度為 TP＝6，c＝100，150，200，250。各模型的荷載－位移曲線如圖6所示，圖7為節(jié)點極限承載力與凈距離c的關(guān)系曲線。有限元分析結(jié)果表明，節(jié)點板受壓的極限承載能力隨著凈距離c的增加而逐漸減小。c的減小，不僅使此處區(qū)域角鋼對節(jié)點板的橫向約束也比較大，而且節(jié)點板受壓區(qū)內(nèi)的有效寬度范圍增大，所以節(jié)點板的整體的極限承載能力得到提高。這種趨勢在節(jié)點板厚度比較小，相應(yīng)的側(cè)向剛度也較小時對承載力的提高比較明顯。但c繼續(xù)減小時，角鋼肢端越來越靠近節(jié)點板與角鋼的交界處，此處的區(qū)域因為結(jié)構(gòu)的突變會出現(xiàn)高度應(yīng)力集中，節(jié)點板的破壞模式就會由失穩(wěn)破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸绕茐?，?jié)點承載力提高反而不是很大。

圖6 不同c模型的荷載－位移曲線

圖7 節(jié)點承載力與 c的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

本文通過有限元程序?qū)卿撍?TT型節(jié)點進行了三維有限元建模，分析偏心受壓節(jié)點板的破壞模式、節(jié)點板的極限承載力，討論影響節(jié)點板極限承載力的因素，結(jié)論如下：①角鋼塔節(jié)點的破壞模式主要為角鋼失穩(wěn)和節(jié)點板平面外失穩(wěn)。當角鋼厚度/節(jié)點板厚度＞1.2時，節(jié)點發(fā)生節(jié)點板的平面外失穩(wěn)；當角鋼厚度/節(jié)點板厚度＜1.2時，節(jié)點發(fā)生角鋼失穩(wěn)。②偏心作用能夠顯著地降低節(jié)點板的極限承載力，使極限承載力下降20 %～30 %。③節(jié)點參數(shù)對節(jié)點極限承載力的影響。節(jié)點板厚度，直接影響著節(jié)點承載力的大小，隨著荷載的增加節(jié)點板的承載力線性增加；角鋼的寬厚比對節(jié)點的極限承載力共同影響著節(jié)點板的承載力，若節(jié)點板厚度一定的情況下，隨著寬厚比的增加，節(jié)點的極限承載力不斷降低，反之，則提高；節(jié)點板的極限承載力隨著凈距離c的減小而增大，隨著凈距離c的增大而減小。

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