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螺栓滑移对基础非均匀沉降输电塔的影响研究

王朋  
【摘要】:输电线路是现代社会一项重要的生命线工程,输电塔是输电线路的基本组成单元之一,因此精确预测输电塔的静动态特性,对输电塔的设计及安全评估起到非常重要的作用。在输电线路中,等边角钢由于其便于连接的优点被广泛应用于格构式输电塔中。其中相当一部分等边角钢通过单面螺栓连接,因此载荷传递时角钢承受偏心载荷。同时在输电塔设计中,为了现场安装方便螺孔直径一般比螺栓直径大1.5mm-2mm,而螺栓连接数量多、螺栓直径小、连接杆件薄(角钢或扁钢)、夹持力低、镀锌金属表面摩擦系数低等因素,使螺栓连接在较低载荷作用下即发生滑移现象。一方面,在相同沉降下,传统的结构分析计算得到的杆件轴力远大于试验测量值,甚至出现计算显示已经破坏的输电塔,现实中仍在正常运行着。另一方面,在相同载荷下,计算得到的结构变形量和结构极限沉降量远远小于试验测量值。经过多年研究已明确,产生这些偏差的主要原因是螺栓滑移和连接偏心,但是现有结构设计分析软件大多未对它们进行有效处理。因此,在输电塔的设计与安全评估时,准确建立输电塔结构中螺栓连接结构的模型就变得非常重要。 本文结合研究组承担的“螺栓滑移对承受非均匀沉降输电塔的安全性影响研究”项目,针对输电塔中涉及的螺栓扭矩系数、螺栓滑移机理、输电塔精确分析模型和采动区输电塔安全评估等若干力学问题展开研究,为采动区基础非均匀沉降输电塔的设计与安全评估提供重要参考。论文的主要内容包括: 1.输电塔镀锌螺栓扭矩系数的试验研究。通过试验测试了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响,探讨了扭矩系数的控制、调整,以及螺栓连接中要注意的问题,为本研究中螺栓连接的参数控制提供依据,也为设计和施工单位提供参考。 2.螺栓连接接头滑移特性的测试与模拟。选取室内小塔和真实输电塔中有代表性的螺栓连接接头,通过螺栓滑移性能试验,获得螺栓连接接头的位移-载荷关系曲线,探讨螺栓连接滑移机理,考察螺栓连接的破坏形态。利用有限元软件ANSYS,建立螺栓搭接角钢结构的有限元模型,模拟螺栓滑移过程,并与试验测量结果进行对比,验证所建模型的有效性。 3.建立含螺栓滑移和连接偏心的滑移梁模型,研究输电塔的受力变形特性。基于ANSYS开发了滑移梁分析模型,该模型将试验测量得到的螺栓连接位移载荷关系曲线引入到螺栓连接的分析模型中,并且考虑连接偏心的影响。利用该模型分析了结构在基础非均匀沉降时的受力-变形特性,并与传统分析软件模拟结果和试验测量结果进行对比,验证所提模型的有效性进而模拟了基础沉降工况下,结构的极限承载力。 4.发明了可平动顶升装置和位移传感器固定装置。结合本文研究所搭建的室内小塔和ZM11输电塔的基础非均匀沉降测试,设计发明了一种用于在线测量螺栓连接滑移的位移传感器固定装置,同时发明了一种可水平低阻力滑动、并数字显示压力的顶升装置。 5.研究螺栓滑移和连接偏心对输电塔动态特性的影响。利用所开发的滑移梁模型对输电塔进行模态分析,首次将试验测量得到的螺栓连接的位移载荷关系曲线引入到基础非均匀沉降输电塔的动态分析中,并且考虑了连接偏心的影响。试验测量了四根塔腿固支和三根塔腿固支,第四根塔腿在不同载荷作用下,输电塔在自然激励下的固有频率与振型,与所开发滑移梁模型和传统分析软件模拟结果进行对比分析,进一步验证了所开发滑移梁模型的有效性。 6.通过有限元商业软件ANSYS建立滑移梁模型,模拟了输电塔各种非均匀沉降工况下的极限承载力。当输电塔基础发生非均匀沉降时,通过监测塔腿沉降值作为判断输电塔失稳与否的依据。为今后在煤炭开采区或冻土区的输电塔设计及塔腿沉降时的安全评估提供参考。 通过本文研究,建立了格构式结构的精确分析模型,完整地分析了螺栓连接对格构式输电塔结构动静态特性的影响,这将为输电塔更高精度模拟分析起推动作用。


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