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高耸输电塔钢桁架节点静力性能及设计方法研究

程睿  
【摘要】: 输变电工程是重要的生命线工程,作为主要结构的输电塔,其安全性是保障大规模区域电力系统可靠性的基础。而输电塔结构中的节点,作为结构安全传力的保障,受力情况非常复杂,是输电塔结构的重点部位。 高耸输电塔通常分为角钢塔和钢管塔,其节点随杆件截面形式的不同而呈现不同特点。对于角钢塔,其节点多采用节点板连接,即通过节点板将杆件相互连接,以达到传力的目的,因此节点板是节点受力的关键部件,必须予以重点关注。工程实践中,角钢塔的杆件多为单角钢,因而其节点板与杆件多为单角钢单面连接,板处于偏心受力的状态,其受力性能与节点板轴心受力时存在很大差别。然而,从目前国内外的研究来看,其成果主要集中在轴心受力的节点板上,国内外相关规范均只针对轴心受力的情况而未有涉及偏心作用下节点板的设计方法,将现有方法运用到角钢塔节点是否可行尚缺乏可靠的依据。对于钢管塔,节点通常采用相贯节点和钢管-板连接节点(简称钢管-板节点)两种连接形式。其中,相贯节点的研究成果已较为完善,但对于钢管-板连接节点,虽然国内外也有学者做过一定的研究工作,但总体而言其研究成果非常有限,特别是针对空间钢管-板节点的研究成果更少,我国甚至未将此类节点的设计纳入现行《钢结构设计规范》(50017-2003)及输电线路工程相关规范中,从而使得此类结构节点在设计上无据可循。 为了满足当前我国特高压输电塔工程设计和建设的需要,本文以某特高压输电线路实际工程为背景,对角钢塔和钢管塔典型节点的受力性能及其极限承载能力进行系统研究,主要完成了以下研究工作: ①进行了2组4个角钢塔节点(单角钢与节点板连接节点)的足尺试验研究,分别考察了单角钢连接节点板在压力作用下和拉力作用下的静力受力性能和破坏模式,详细测试了节点板受力全过程的应力和变形等数据,为后续的有限元数值模拟分析研究提供试验基础和比较依据。试验结果表明,与轴心受力时出现的弯曲失稳不同,节点板在单角钢连接的偏心压力作用下呈现板面外弯曲并伴随扭转的屈曲特征。而在拉力作用下可能的破坏模式为块状剪切破坏或受拉断裂破坏,与轴心受力时是一致的。 ②对角钢塔节点极限承载力有限元数值模拟分析模型的适用性进行了研究。分别选取实体单元和壳体单元,考虑包括几何非线性、材料非线性、状态非线性和极限承载力计算的迭代方法等可能影响节点极限承载力数值分析结果的各种因素,建立了精细化实体模型和简化壳体模型来模拟节点的受力行为。通过两种模型模拟分析结果与试验结果的对比,得到采用简化壳体模型模拟角钢塔节点的受力行为更加适用的结论。 ③对角钢塔节点的受力性能进行了系统的变参数模拟分析。研究受压性能时,进行了30个试验节点的参数模型分析,主要考察了节点板厚度、无支长度以及单角钢连接的偏心作用对节点板极限承载力的影响。对于适用性更加广泛的K型节点,除上述三个因素外,还考察了是否设置竖腹杆、竖腹杆的加载比例以及杆件伸入弯折线长度等因素对节点板极限承载力的影响。首次提出杆件伸入弯折线长度这个参数,用于考虑受压板的周边约束变化对节点板受力性能的影响。研究受拉(剪)性能时,主要考察了节点板形状、不同方向螺栓孔间距以及单角钢连接的偏心作用等主要影响因素对节点板极限承载力的影响。 ④提出了单角钢连接节点板受压极限承载力的计算公式,公式中除考虑单角钢连接的偏心作用以外,还首次提出了参数c′(受压杆件伸入弯折线的长度)来考虑受压板的周边约束的变化。并通过与多参数、不同类型节点的数值分析结果进行对比校验和统计分析,证明公式具有较高的精度和适应性。同时,通过统计对比分析,认为现有以轴心受力为基础建立的节点板受拉(剪)极限承载力的计算方法同样适用于单角钢连接节点板。 ⑤建立了钢管塔节点(钢管-板连接节点)有限元分析模型,分别对平面K型和空间KK型钢管-板连接节点的受力性能进行了系统的参数分析研究。对于平面K型节点,主要考虑了节点几何参数和主管应力比等对节点极限承载力的影响;对于空间KK型节点,除考虑与平面K型节点相同的影响因素外,还考虑了反映空间几何效应的参数(两节点板间的夹角)和反映空间荷载效应的参数(支管或腹杆的加载比例)对节点极限承载力的影响。影响节点承载力的主要因素为:节点板长度与主管管径之比(h/D)、主管径厚比(D/t0)、支管与主管轴线偏心距e以及主管应力比η。支管与主管轴线夹角θ、几何空间效应(节点板夹角β)对节点的极限承载力影响甚微。参数h/D和η对空间KK型节点的极限承载力的影响而言并非独立参数,其与腹杆荷载比例形成复合影响效应。 ⑥建立了平面K型钢管-板连接节点和空间KK型钢管-板连接节点极限承载力的计算公式。通过与多参数、不同类型节点的数值分析结果进行对比校验和统计分析,证明公式具有较高的精度和适应性,同时证明了现有公式未考虑节点处支管的约束作用而过于保守。


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