輸電線路十字組合角鋼主材拼接性能分析

高淵，韓軍科，李清華

（中國電力科學研究院，北京市 100192）

0 引 言

十字組合角鋼作為主材在220kV及以上輸電線路鐵塔中應用廣泛，但相關研究不完善，僅局限于填板設計及承載力研究［1－3］。2008年，埃塞俄比亞電力公司與上海輸配電股份有限公司設計的400kV和230kV十字組合角鋼塔在中國電力科學研究院進行了真型試驗。試驗后發現十字組合角鋼主材的試驗承載力與理論設計值偏差較大，多次出現受壓主材未達到理論破壞荷載就發生失穩屈曲破壞的情況，塔腿下端表現更為明顯。試驗數據表明，主材內外角鋼受力不均勻，塔腿根部主材節間內外角鋼協調受力相對更差，這種受力不均勻性使十字組合角鋼主材的承載能力降低。

1 總體分析

為有效解決上述存在的問題，本文將十字組合角鋼旋轉90°后與塔身側面斜材連接，拼接形式如圖1所示。為方便區分十字組合雙拼角鋼的2種拼接形式，規定圖1（a）所示為單角鋼拼接十字組合角鋼塔，圖1（b）所示為雙角鋼拼接十字組合角鋼塔。2種拼接形式主材構件編號見圖1。

根據慣性矩平行軸定理［4］，2種拼接形式主材截面慣性矩計算如下：

圖1 十字組合雙拼角鋼布置Fig.1 Arrangement of cross－section combined double－angle steel splicing

式中：Ix0為十字雙拼截面對其平行形心軸x0的慣性矩；Iy0為十字雙拼截面對其平行形心軸y0的慣性矩；A為十字雙拼角鋼凈截面面積；k為塔身橫斷面主材軸線間寬度。

Ix1＝Ix2，Iy1＝Iy2（Ix1，Iy1對應單角鋼拼接方式塔，Ix2，Iy2對應雙角鋼拼接方式塔），2種拼接形式塔截面慣性矩一致，主材計算長度亦一致。單從主材截面特性及計算長度無法判斷2種拼接方式的優劣，有必要考慮主材與斜材相連接后其整體傳力協調性的優劣。

2 算例分析

本文選取500kV雙回路通用輸電鐵塔，桿塔呼稱高H為66.0m，總高為94.1m。鐵塔主材材料為Q420角鋼（2L160×14、2L180×16），采用雙拼十字組合截面，斜材及填板（十字焊）為Q345鋼或Q235鋼。比較十字組合角鋼不同拼接形式鐵塔結構的受力特點，并計算其極限荷載，以確定實際工程中采取何種拼接形式受力更合理，更節省材料。鐵塔建模采用多尺度模型［5－6］，殼體部分主材、塔腳板及其上節點板均用SHELL181殼單元模擬，螺栓連接用耦合模擬，梁桿部分主材用BEAM4單元模擬，斜材用LINK8單元模擬，主材與斜材連接于主材處節點板上，殼體與梁桿剛域連接。SHELL181殼單元適合模擬中小厚度殼結構，具有應力剛化及大變形功能，有強大的非線性功能。材料采用多線性隨動強化模型MKIN，按實測材料強度曲線取值，考慮鋼材的包興格效應［7－8］。

荷載工況取直線塔最不利荷載工況即60°大風工況［9］。由工程設計經驗可知塔身變坡處及接腿處桿端彎矩最大，故多尺度模型中塔身部分變坡節間及接近接腿處節間主材采用殼體建模，其余部分均采用梁桿建模，另外，接腿處單獨建多尺度模型。有限元模型如圖2所示。接腿有限元模型分2種：等高接腿段（9.0m），高低接腿段（9.0m／4.5m）。為比較2種不同拼接形式十字組合角鋼主材塔的受力合理性，每種模型均建2種不同拼接形式，除主材布置形式不一樣，其他條件包括材料、規格和空間位置等均相同，另約束條件和荷載工況亦相同，單元網格劃分尺寸控制等均一致。

圖2 有限元模型圖Fig.2 Finite element model

多尺度計算模型共6個，有限元計算結果如下。

2.1 整塔

2種拼接形式整塔60°大風工況下其整體Von Mises應力云圖如圖3所示。殼體部分主材構件最大應力及軸力見表1。雙角鋼拼接塔最大應力出現在變坡處節間L0Z構件上，為369MPa；單角鋼拼接塔最大應力出現在變坡處節間L0N構件上，為377MPa。2種拼接方式最大應力百分比為97.88%。

圖3 整塔Von Mises應力云圖Fig.3 Von Mises stress nephogram of tower

2種不同拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的最大應力和軸力百分比見表2。

由于在實際工程中，最大受力主材起控制作用，同時受壓比受拉更易導致主材破壞，這里2種連接形式均以0號腿的受力狀態做參考（0號腿為最大受壓腿）。從表2可以看出，在塔身部分，雙角鋼拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的受力均勻性明顯優于單角鋼拼接方式。最大應力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差分別為11.7%及0.7%（分別對應變坡處節間主材及接腿上節間主材），而單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差分別為20.2%及0.8%，雙角鋼拼接方式明顯優于單角鋼拼接方式。

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從殼體部分主材上截取4個軸向水平截面（如圖4所示），以各截面兩構件角鋼頂點位移和的平均值為位移標準參考值，得出各截面構件翼緣位移相對值見表3。從表中可以看出單角鋼拼接塔主材內、外角鋼位移不協調，剛度分布不均勻（內角鋼剛度大）；而雙角鋼拼接塔主材兩組合角鋼位移協調性較好，剛度分布較均勻，雙角鋼拼接塔主材位移的協調性明顯優于單角鋼拼接塔。

2.2 等高腿接腿段

等高腿接腿段60°大風工況下其整體Von Mises應力云圖如圖5所示，從圖中可以看出主材應力最大點并不是發生在螺栓應力集中處（應力最大部位并未出現在螺栓連接區域）。雙角鋼拼接接腿段與單角鋼拼接接腿段主材截面最大應力均出現在0號受壓腿上，且均接近塔腳板位置。其中雙角鋼拼接接腿段最大應力出現在L0H構件上，單角鋼拼接接腿段最大應力出現在L0N構件上，雙角鋼拼接形式比單角鋼拼接形式主材截面上應力分布更均勻。

圖5 Von Mises應力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram

從表4可以看出雙角鋼拼接接腿段主材的最大應力比單角鋼拼接接腿段主材的最大應力平均要小10.79%，其整體最大應力比單角鋼拼接接腿段整體最大應力小1.75%。雙角鋼拼接接腿段主材受力比單角鋼拼接接腿段主材受力更均勻。

表4 主材構件最大應力及軸力（等高腿接腿段）Tab.4 Maximum stress and axial force of main component with the same height legs

2種不同拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的最大應力和軸力百分比見表5。

以0號腿的受力狀態做參考（0號腿為最大受壓腿），從表5可以看出雙角鋼拼接0號腿主材雙角鋼受力更均勻（99.33%），單角鋼拼接0號腿主材雙角鋼受力均勻性稍差（98.86%）。雙角鋼拼接0號腿主材軸力均勻為99.93%，而單角鋼拼接0號腿主材軸力百分比為97.80%，不是很均勻。最大應力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差0.7%，單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差3.3%，因而雙角鋼拼接方式優于單角鋼拼接方式。

表5 同編號腿主材最大應力及軸力百分比（等高腿接腿段）Tab.5 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg（same height legs） （%）

2.3 高低腿接腿段

高低腿接腿段60°大風工況下其整體Von Mises應力云圖如圖6所示。

圖6 Von Mises應力云圖Fig.6 Von Mises stress nephogram

從表6可以看出雙角鋼拼接接腿段主材整體最大應力比單角鋼拼接接腿段整體最大應力小6.33%。雙角鋼拼接接腿段主材受力比單角鋼拼接接腿段主材受力更均勻。

表6 主材構件最大應力及軸力（高低腿接腿段）Tab.6 Maximum stress and axial force of main components with different height legs

2種不同拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的最大應力和軸力百分比見表7。

同樣，只考慮0號腿的受力狀態做參考。從表7可以看出雙角鋼拼接形式（95.65%，96.47%）較單角鋼拼接形式（94.10%，94.51%）受力均勻。最大應力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差4.7%，單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差13.7%，雙角鋼拼接方式明顯優于單角鋼拼接方式。

表7 同編號腿主材最大應力及軸力百分比（高低腿接腿段）Tab.7 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg（different height legs） （%）

3 結論及建議

（1）雙角鋼拼接方式塔身主材受力均勻性優于單角鋼拼接方式。最大應力控制截面上，雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差分別為11.7%及0.7%（分別對應變坡處節間及接腿上節間主材），而單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應力相差分別為20.2%及0.8%，雙角鋼拼接方式明顯優于單角鋼拼接方式。

（2）單角鋼拼接塔主材內角鋼與斜材相連接，外角鋼不直接與斜材相連接，內、外角鋼剛度分布不均勻（內角鋼剛度大）。而雙角鋼拼接塔主材的兩組合角鋼分別與各自一側斜材相連接，剛度分布均勻。塔架受力后，單角鋼拼接塔內角鋼受力比外角鋼大，主材受力分布不均勻。而雙角鋼拼接塔傳力協調性好，兩組合角鋼受力基本一致，承載能力較單角鋼拼接塔高。

（3）接腿部分主材受力均勻性，雙角鋼拼接方式優于單角鋼拼接方式，非等高腿表現尤為明顯，其最大應力控制截面上2種拼接方式主材的最大應力相差分別為4.7%和13.7%。

（4）考慮到實際工程中鐵塔結構螺栓孔徑一般都要比螺栓直徑大1.52.0 mm［10－11］，塔架受力后，單角鋼拼接塔主材可能會發生非同步滑移（內外角鋼剛度分布不均勻，造成受力不均勻），加劇其主材受力不均勻性。由于實體建模的復雜性和不確定性，本文數值模擬沒有計入螺栓滑移所帶來的影響。

（5）本文僅限于理論分析和數值模擬，結論有待試驗進一步驗證。

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