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摘要：输电线路钢管塔、钢管空间桁架结构、变坡、主管支管相贯
关键词：输电线路；钢管塔；变坡节点；相贯结构；有限元分析
引言
随着输电线路的高速发展，输电线路钢管塔在输电铁塔中发挥着越来越重要的作用。钢管塔具有构架附加载荷小，刚度大，结构简洁，受力合理，传力清晰等特点，特别是在极端天气下抵抗自然灾害的能力强于传统杆塔，所以应用越来越广泛。输电线路钢管塔属于高耸的空间桁架结构，其传力完全是通过节点来完成，所以节点的安全对整个塔架来说至关重要，节点的破坏往往会导致连接在节点处的各个杆件失效，从而引起整个结构的破坏。目前输电铁塔中的节点形式主要是钢管相贯焊节点。输电铁塔变坡处钢管相贯节点是由几个主支管交汇而成的三维空间薄壁结构，且上下主材传力不在一条直线上，节点区域应力分布十分复杂。在建筑结构方面的相关试验研究中，多采用的是节点模型试件，难以模拟实际节点中的焊缝、局部变形的影响。
1思路和构件设计
钢管塔变坡处相贯构造节点是由等径主管斜交、支管与主管焊接而成的空间相贯节点。节点的主管与支管交汇处形成空间三维薄壁结构，应力分布十分复杂，难以得到节点承载力的精确解析解。因此，开展工艺试验研究是进行钢管相贯节点性能研究的必要、有效且不能缺少的途径。本次浅析采用试验验和有限元分析相结合的研究方法，对输电线路钢管塔变坡节点开展空间节点的承载力和受力性能研究，分析复杂节点的应力分布规律。
2 研究的构件和方案
2.1构件的选择
选用的构件为管塔变坡结构如图所示。构件的设计荷载为：主管①：－1562kN（压）主管②：－1972kN（压）支管③：－379kN（压）支管④：－185kN（压）支管⑤：137kN（拉）支管⑥：－6kN（压）节点试件为空间体系，主管和支管上共有 6个荷载作用，且要求同步加载。在试验室现有条件下，在下主管②与试验室地梁之间采用球铰支座连接，利用反力实现下主管加载。节点置于加载框架内，上主管加载采用 2000kN千斤顶，4个支管加载采用成都伺服液压设备有限公司生产的液压伺服加载器，加载吨位分为 600kN和 300kN，加载器与反力墙之间采用专门设计加工的钢支座进行连接调整加载方向，保证加载方向与杆件中心线一致。
2.2构件试验测点布置
为保证试验加载时其它测试数据的正确性和有效性，并反算节点在外荷载作用下各管的内力分布，考察各管平面内和平面外弯矩，分别在节点的上主管和下主管管壁布置单向应变片，编号为 S1～S8。在主管管壁上围绕支管周围布置应变花，编号为 T1～T12，以考察主管管壁在钢管交汇处的复杂应力状态。由于支管管身长度很小，其变形受补强板的约束，管壁应力亦为复杂应力，因此在支管靠近交汇处位置也布置应变花，编号为 T17～T20。在每块补强板上分别设一个测点监测应变，编号为 T13～T16。测点布置见图 4-4。应变数据采用东华 3816静态应变测试系统采集。
2.3加载方案
在试验中，按设计荷载的 10％递增分级施加荷载，当上主管上的千斤顶压力接近 2000kN时，维持主管荷载不变，继续增加支管荷载，直到有明显破坏现象发生。在施加每级荷载时，先加主管荷载，然后同步施加 4个支管荷载，并根据传感器示数调整千斤顶压力。
2.4试验结果分析
（1）材性试验
依据钢材厂的材质单和试件加工单位的抽检报告出了节点试件用到的管材的实测强度，以判断各级荷载下测点部位应力状态。
（2）试验现象由于试验加载条件限制，在两个试件的试验过程中，节点处均未出现明显的可观察的破坏性状。在试件加载试验中，由于支管③加载方向偏差较大，导致在进行到 130％设计荷载时，该支管出现屈曲，导致试验终止。在试件 2加载试验中，荷载加到 190％设计荷载时，支撑主管加载千斤顶的反力钢梁有很大的变形，因此试验终止。但根据两个试件的最后一级荷载均大于设计荷载，并且具有一定的强度储备。
2.5数据分析
根据测点应变花数据，计算测点处的 MISES应变，因为各测点均处于弹性范围内，因此可以方便地求解为 MISES应力。主管和支管测点的 MISES应力随荷载变化情况，可以看出测点应力基本上随着荷载的增加而线性增大，最后一级荷载主管和支管测点均未屈服应力，但不能由此确定节点未有塑性变形发生，因为测点部位离相贯线仍有一定距离，因此不能监测到相贯线附近的应力集中。由于支管③的荷载大于另外 3个支管，因此该支管测点的应力相比较大。支管④和主管间的加劲板上应力较大。
2.6有限元分析
为与试验对比，有限元分析中的加载方法与试验基本相同，即以设计荷载作为标准荷载，按照 10％比例递增，直至各管端荷载等于设计荷载的 2倍。到达最大荷载时，上主管的压力达到 3124kN，而在试验中由于千斤顶吨位限制只加载到 2000kN。因此在有限元分析中，后几级荷载大于试验荷载。
分别提取荷载等于设计荷载 50％、100％、150％、170％、200％情况下节点的 MISES应力云图，以研究变坡处节点的受力特点及塑性扩展过程。由图可以看出，由于节点相贯线复杂，主杆径向刚度与轴向刚度相差较大，支管荷载传递到主管上时，应力沿主管的轴向和环向分布很不均匀，相贯线处发生局部变形和局部应力集中，离开交线后应力迅速下降。节点的鞍点或冠点处环向应力最大，在加载到设计荷载时首先屈服，但此时并不意味着节点将立即破坏，随着荷载的逐渐增加，该点逐渐形成塑性区使应力重分布，塑性区不断的向四周扩散，直到加载到 200％设计荷载时下主管在交汇处出现显著的局部塑性变形，而且支管③靠近交汇处内侧也出现局部塑性变形。在 200％设计荷载时，下主管除在交汇处有很大范围的塑性变形外，钢管其它部位等效应力均已接近屈服应力，可以认为此载荷为节点的极限承载力。
3结论
（1）根据变坡处节点承载力试验研究，试验试件分别加载到设计荷载的 1.3倍和 1.9倍时，均未观察和监测到塑性变形的发展，因此试验节点具有足够的强度储备。
（2）在通用有限元分析发现相贯线处发生局部变形和局部应力集中，离开交线后应力迅速下降；节点的鞍点或冠点处环向应力最大，在加载到设计荷载时首先屈服；随着荷载的逐渐增加，鞍点或冠点逐渐形成塑性区使应力重分布，塑性区不断的向四周扩散。有限元分析结果和试验数据吻合较好，证明了利用有限元理论研究钢管塔变坡处节点的可行性和有效性。
参考文献：
[1]陈誉，彭兴黔，赵宪忠.钢管搭接节点的研究现状[J].基建优化，2007年 10月.
[2]赵熙元.建筑钢结构设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1985年 10月.
[3]应建国，叶尹.大跨越输电线路钢管塔结点分析[J].电力建设，2003年 9月.
[4]送电用钢管铁塔制作基准[M].日本铁塔协会，昭和 60年 6月.
[5]GB50135-2006，高耸结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007.
[6]DT/T 5154-2002，架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].中国电力出版社，2002.
论文作者:樊志勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/16
标签：荷载论文; 节点论文; 应力论文; 加载论文; 钢管论文; 塑性论文; 应变论文; 《电力设备》2018年第25期论文;