特高壓輸電塔KK型節(jié)點受力性能有限元分析

陳怡宏，黃海斌，張意，雷運波，王平，顏婷莎

（1重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；2后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系，重慶 400042）

0 引言

目前，對于特高壓輸電塔格構(gòu)式K型腹桿系結(jié)構(gòu)受力性能的研究尚未成熟，所以在特高壓輸電塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計中一般仍將實際中的半剛性連接節(jié)點當作鉸接或剛接來考慮，從設(shè)計上來說不合理且可能有安全隱患。因此，本文對輸電塔結(jié)構(gòu)中常用K型節(jié)點的受力性能進行分析，顯得十分有意義。李茂華[1]進行了我國第一基SZT2特高壓雙回路鋼管塔真型試驗，實測結(jié)果顯示部分主材構(gòu)件的實測應(yīng)力大于計算應(yīng)力，試驗分析結(jié)果表明，塔身主材最大次應(yīng)力已達到軸力應(yīng)力的30%。楊靖波[2]以1000kV淮南-上海（皖電東送）輸變電工程特高壓同塔雙回路鋼管塔為分析對象，分別采用桿單元、梁桿混合單元和梁單元建模計算，計算分析表明現(xiàn)行的鐵塔設(shè)計通用程序的桿單元計算模型不能反映主材桿端彎矩的影響，計算應(yīng)力偏小，建議采用梁桿混合單元模型進行設(shè)計。帥群[3]對1000kV特高壓輸電鋼管塔SZ2U進行真型試驗，研究表明，對特高壓輸電塔結(jié)構(gòu)而言，K型節(jié)點處主材的次應(yīng)力效應(yīng)顯著，應(yīng)當建立考慮節(jié)點板剛度的梁桿單元有限元模型進行分析。針對以上研究情況，考慮節(jié)點對桿件的受拉性能影響顯得尤為重要。因此開展節(jié)點的受力性能研究十分必要。本文針對特高壓輸電塔中無偏心無環(huán)形加強板KK型節(jié)點進行有限元分析，得到KK型節(jié)點承載力的主要影響因素及相應(yīng)的影響程度。

1 有限元建模參數(shù)選擇

為準確模擬節(jié)點受力性能，采用實體單元模擬角鋼（鋼管）、節(jié)點板和螺栓，引入接觸單元來模擬角鋼（鋼管）、節(jié)點板和螺栓之間的接觸。為簡化起見，斜材僅考慮軸力作用，斜材軸力線的交點和螺栓群形心之間不存在偏心。材料的本構(gòu)關(guān)系如圖1所示。角鋼-節(jié)點板連接半剛性節(jié)點中4個部分可能存在接觸關(guān)系：節(jié)點板和各角鋼接觸，螺帽和節(jié)點板接觸，螺帽和各角鋼接觸，螺桿和各角鋼孔壁以及節(jié)點板孔壁接觸。KK型節(jié)點的上部兩支管受軸向壓力作用，下部兩支管受軸向拉力作用，此種情況為節(jié)點的最不利受力模式，對于各支管上所施加的軸向作用力的大小均相等。此外，為了消除端部加載條件對節(jié)點區(qū)域的影響，主管長度取8倍的管直徑，支管長度取3倍的管直徑。接觸面分為接觸面和目標面，其中接觸面選用CONTA174單元，目標面選用TARGE170單元。考慮到實際工程的要求和節(jié)點的受力狀態(tài)，采用殼單元建立ANSYS有限元模型見圖2。計算簡圖如圖3所示。

圖1 本構(gòu)關(guān)系

圖2 KK型節(jié)點有限元模型圖

圖3 KK型節(jié)點計算模型

2 參數(shù)分析

影響節(jié)點極限承載力的主要幾何參數(shù)有：主管直徑D、主管管壁厚度t、節(jié)點板高度B、兩塊節(jié)點板之間的夾角β等。通過大量參數(shù)分析來研究KK型節(jié)點受各參數(shù)的影響程度。對于實際輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)中的空間KK型管板連接節(jié)點，夾角β的常用角度在90°≤β≤180°之間。通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)此夾角角度范圍內(nèi)的各節(jié)點的極限承載力雖然有所差異，但基本相差不大。所以，在建立鋼管塔KK型管板連接節(jié)點的極限承載力計算公式時，不考慮將夾角β作為一個獨立的變量因子引入到建議計算公式中，均以最常用的夾角β=90°的節(jié)點有限元模型的計算結(jié)果作為基準。

（1）夾角β對節(jié)點極限承載力的影響

本節(jié)選取D=273mm的空間KK型節(jié)點，討論不同的D/t和B/D情況下，節(jié)點的極限承載力隨夾角β的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 夾角β對KK型節(jié)點極限承載力的影響

從圖中可以看出，在空間KK型節(jié)點的夾角β從30°增加180°的過程中，節(jié)點的極限承載力呈現(xiàn)先增大后減小，再基本保持不變的發(fā)展趨勢。夾角β=30°時，節(jié)點的極限承載力最小；夾角β=60°時，節(jié)點的極限承載力最大；夾角β在90°≤β≤180°之間時，節(jié)點的極限承載力基本不變或稍有減小。

（2）主管徑厚比D/t對節(jié)點極限承載力的影響

本節(jié)選取D=219mm、273mm、325mm的空間KK型節(jié)點，討論節(jié)點的極限承載力隨D/t的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 主管徑厚比D/t對節(jié)點極限承載力的影響

從圖中可以看出，D/t對節(jié)點承載力的影響是十分明顯的，隨著D/t的減小，節(jié)點的極限承載力幾乎呈指數(shù)形式增加。

（3）節(jié)點板高度與主管直徑之比B/D對節(jié)點極限承載力的影響

本節(jié)選取D=273mm的空間KK型管板節(jié)點，討論節(jié)點的極限承載力隨B/D的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 B/D對節(jié)點極限承載力的影響

從圖6中可以看出，節(jié)點的極限承載力隨著B/D的增大呈線性增加，但B/D的增加對節(jié)點承載力的提高作用十分有限。在實際輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)中，管板連接節(jié)點上節(jié)點板的高度一般是由構(gòu)造確定的，所以在工程設(shè)計中對節(jié)點板高度的取值應(yīng)設(shè)定在一個合適范圍內(nèi)，能夠滿足各支管的連接需求即可。

（4）主管的軸向應(yīng)力比η對節(jié)點極限承載力的影響

首先選取D=273mm、t=8mm、B/D=2.6的節(jié)點，討論平面K型節(jié)點和夾角β=90°的空間KK型節(jié)點，分別在主管承受軸向拉力或軸向壓力作用時，節(jié)點極限承載力的影響變化情況，所得計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 η對K型節(jié)點和KK型節(jié)點極限承載力的影響

從圖7中可以看出，當主管受壓時，隨著主管壓應(yīng)力比的增大，KK型節(jié)點的承載力出現(xiàn)了顯著地降低；當主管受拉時，隨著主管拉應(yīng)力比的增大，節(jié)點的極限承載力僅有微小幅度提高，約在2%～4%左右，當拉力過大時，節(jié)點極限承載力又會出現(xiàn)小幅下降。總體而言，主管受拉對節(jié)點承載力的影響較小，可忽略主管受拉對節(jié)點承載力的影響。下面討論不同D、t、B/D主管時，η對節(jié)點承載力的影響。

從圖8中可以看出，隨著η的增大，節(jié)點的承載力均出現(xiàn)了較明顯的下降，所以在工程設(shè)計中必須考慮主管軸向壓力對節(jié)點極限承載力的不利影響。

圖8 η對KK型節(jié)點極限承載力的影響

3 結(jié)論

根據(jù)對無偏心無環(huán)板KK型節(jié)點進行有限元分析，得到如下結(jié)論。

（1）夾角β在90°≤β≤180°之間時，節(jié)點的極限承載力基本不變或稍有減小。

（2）D/t對節(jié)點承載力的影響是十分明顯的，隨著D/t的減小，節(jié)點的極限承載力幾乎呈指數(shù)形式增加。

（3）節(jié)點的極限承載力隨著B/D的增大呈線性增加，但B/D的增加對節(jié)點承載力的提高作用十分有限。在實際輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)中，管板連接節(jié)點上節(jié)點板的高度一般是由構(gòu)造確定的，所以在工程設(shè)計中對節(jié)點板高度的取值應(yīng)設(shè)定在一個合適范圍內(nèi)，能夠滿足各支管的連接需求即可。

（4）隨著主管的軸向應(yīng)力比η的增大，節(jié)點的承載力均出現(xiàn)了較明顯的下降，所以在工程設(shè)計中必須考慮主管軸向壓力對節(jié)點極限承載力的不利影響。

[1]李茂華，董建堯，楊靖波，等.特高壓雙回路鋼管塔真型試驗[J].中國電機工程學(xué)報，2009（34）:102-107.

[2]楊靖波，韓軍科，李茂華，等.特高壓輸電線路鋼管塔計算模型的選擇[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010（1）:1-5.

[3]帥群，鄧洪洲，李琳，等.特高壓輸電鋼管塔主材次應(yīng)力分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012（33）:109-116.