桿塔結(jié)構(gòu)兩種主斜材連接節(jié)點研究

姜玉挺，潘連武，張 健，楊禮東,徐偉東

(1.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽 110006)

桿塔結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的電網(wǎng)建設(shè)中，整塔分析一般采用有限元桁架模型，分析方法較為明確。但目前對于桿塔結(jié)構(gòu)的節(jié)點分析尚不完善，很多節(jié)點構(gòu)造主要依靠工程經(jīng)驗，或者過于保守，或者存在隱患，缺乏系統(tǒng)的理論分析[1-3]。

桿塔結(jié)構(gòu)主材與斜材的節(jié)點連接形式多樣，主要與主材肢寬、斜材桿端螺栓數(shù)量、設(shè)計習(xí)慣等有關(guān)。各級電壓等級的輸電桿塔中，斜材采用兩個螺栓與主材連接的情況較常見。當(dāng)主材肢寬較寬時，在滿足構(gòu)造要求的情況下，一般將斜材端頭的兩個螺栓直接打在主材上，不使用節(jié)點板，此種連接傳力明確，操作簡便。但是當(dāng)斜材螺栓直接打在主材上而螺栓距主材肢尖的距離不滿足構(gòu)造要求時，斜材需要采用節(jié)點板與主材相連，這是十分常見的情況[4-5]。此種情況通常有兩種構(gòu)造方式,第一種是將內(nèi)側(cè)斜材最端頭的螺栓打在主材上，第二個螺栓通過節(jié)點板與主材相連，但是由于節(jié)點板在主材外部，內(nèi)側(cè)斜材與節(jié)點板之間存在空隙，需添加一個與主材同厚的墊塊；第二種是將內(nèi)側(cè)斜材的兩個螺栓全部拉出主材通過節(jié)點板與主材相連，不需墊塊，以上兩種節(jié)點分別稱為節(jié)點1與節(jié)點2。該兩種節(jié)點都十分常用，但哪種節(jié)點的性能更優(yōu)未有定論。本文基于某單回路500 kV工程，采用ABAQUS有限元軟件建立足尺模型，對兩種節(jié)點多方面性能進行對比分析，為今后的輸電桿塔主斜材的節(jié)點構(gòu)造提供設(shè)計依據(jù)。

1 力學(xué)性能對比分析

1.1 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對兩種節(jié)點進行模擬分析，嚴(yán)格按照構(gòu)件尺寸與材質(zhì)以及負頭等空間位置關(guān)系建立模型，主材為Q420L140×10，上斜材為Q345L75×6，下斜材為Q345L80×6，節(jié)點板為Q345-8。螺栓與鋼材之間以及節(jié)點板與鋼材之間建立雙向摩擦接觸，切向采用庫倫摩擦模型，法向采用“硬接觸”，同時給螺栓施加預(yù)緊力。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，單元類型選用C3D8R，考慮幾何非線性與材料非線性對節(jié)點進行精細化分析[6-10]?？紤]正側(cè)面斜材的同時作用以及節(jié)點2的內(nèi)側(cè)斜材碰撞切肢情況，建立的兩種節(jié)點足尺模型見圖1。

圖1 兩種節(jié)點足尺模型

1.2 荷載與約束

有限元模型主材底部采用三向鉸接約束，頂部約束平面外兩個水平方向，軸向施加由整塔分析提取的軸向力。上下斜材通過建立局部坐標(biāo)系將與桿長垂直的兩個方向進行鉸接約束，沿桿長方向施加軸向力，采用多荷載逐步施加，起始荷載為整塔分析提取的桿件軸力，上下斜材軸力等比例增加。

1.3 結(jié)果分析

節(jié)點1分析結(jié)果見圖2，由于螺栓的應(yīng)力較大，為了更好地顯示桿件應(yīng)力，在云圖中將螺栓隱藏。由于內(nèi)側(cè)斜材的受壓效應(yīng)，主材與節(jié)點板受到擠壓，產(chǎn)生較大的應(yīng)變，進而達到屈服強度，直至破壞，此時施加于斜材的最大軸向力為112.3kN。主斜材中線交點處變形最大，為6.7mm。

圖2 節(jié)點1分析結(jié)果(隱藏螺栓)

節(jié)點2分析結(jié)果見圖3，受壓下斜材兩肢交點處由于變形較大首先達到屈服強度，之后其他斜材與節(jié)點板接觸位置陸續(xù)達到屈服強度，直到節(jié)點因變形過大而不能繼續(xù)承載，此時施加于斜材的最大軸向力為97.7 kN。受壓下斜材兩肢交點與節(jié)點板接觸位置變形最大，達到27.9 mm，其次是拉出的上斜材兩肢交點處變形較大。由于斜材拉出，受壓時節(jié)點處會產(chǎn)生較大的面外變形，兩肢交點離主材邊緣越遠，代表其懸挑越大，則其變形越大，進而導(dǎo)致節(jié)點破壞。

圖3 節(jié)點2分析結(jié)果(隱藏螺栓)

以上結(jié)果顯示，節(jié)點1由于節(jié)點板較小，桿件與節(jié)點板可以更好地協(xié)同傳力，主材的強度與剛度對節(jié)點力學(xué)性能貢獻較大；節(jié)點2由于節(jié)點板較大，節(jié)點的強度主要與節(jié)點板的面外變形有關(guān)，桿件與節(jié)點板協(xié)同工作效果較弱，節(jié)點1的承載能力高于節(jié)點2的承載能力15%左右，且節(jié)點1的剛度遠大于節(jié)點2。

2 用鋼量及安裝對比分析

2.1 用鋼量對比

節(jié)點2相比于節(jié)點1雖板型增大，但無墊塊，同時斜材長度有所減少，兩種節(jié)點具體用鋼量見表1。

節(jié)點2質(zhì)量較節(jié)點1增加0.54kg，所增質(zhì)量對于桿塔結(jié)構(gòu)用鋼量而言基本可以忽略不計。

表1 兩種節(jié)點用鋼量對比 kg

2.2 安裝便捷性對比

經(jīng)過大量工程實踐以及相關(guān)塔廠與施工單位反映，節(jié)點1由于存在墊塊較節(jié)點2更不易安裝，同時墊塊容易丟失，部分施工單位以多個墊片來代替墊塊，塔位安全性將存在很大隱患。同時節(jié)點1的主材內(nèi)側(cè)正側(cè)面角鋼一般存在相碰的情況，需要做切肢處理，這也增加了塔廠加工放樣的工作量。

通過以上分析，在安裝便捷性方面，節(jié)點2顯著優(yōu)于節(jié)點1。

3 結(jié)論

主材內(nèi)側(cè)斜材直接打在主材上的節(jié)點力學(xué)性能優(yōu)于斜材拉出主材的節(jié)點連接，兩種節(jié)點用鋼量基本相當(dāng)，內(nèi)側(cè)斜材拉出主材的節(jié)點施工便捷性明顯優(yōu)于斜材伸入主材內(nèi)部的節(jié)點連接。就實際工程而言，塔身斜材一般由長細比控制，節(jié)點受力較小，考慮到切肢與安裝的復(fù)雜性，推薦采用節(jié)點2的連接方式。橫擔(dān)下平面等部位的斜材長細比一般較小，節(jié)點受力較大，推薦采用節(jié)點1的連接方式。