架空輸電線路角鋼塔單雙角鋼連接節點設計

崔順心

益陽電力勘測設計院有限公司 湖南益陽 413000

近些年來電力行業有了較為顯著的突破和發展，特別是我國的特高壓輸電方面，輸電鐵塔無論是空間尺寸還是荷載水平都在不斷擴大，導致大規模角鋼也不能很好的適應鐵塔塔身主材所產生的受力，因此常常需要設計一定的單雙角鋼連接節點，在單肢角鋼下端運用雙拼角鋼主材。通常在鐵塔內，單雙角鋼過渡節點發揮著不可忽視的效能，是受力的關鍵，會對鐵塔整體結構的變形特性和受力特性產生直接影響，關系到鐵塔穩定性[1]。

1 單雙角鋼節點板受力分析

1.1 水平節點板寬度設計

在確定水平節點板寬度時可讓其和過渡節點上所設計的十字靴板同寬。通常而言，主材角鋼肢的寬度、水平構件與斜向的連接角度與連接長度、靴板的厚度均會對過渡節點十字靴板的寬產生一定程度地影響。為此在設計的過程中，十字靴板的輸入條件是節點處構造要求以及各向桿件的內力要求，必須要加以重視。依據有關的技術指標進行桿件連接長度的核算，參照桿件和縱向節點板搭接核算狀況，即首先核算縱向節點板的寬，之后聯系螺栓的具體數目和構造的間隔距離核算搭接的具體長度。為此，對靴板厚度進行嘉假定，其取值范圍為tm+2mm，tn,其中，tm表示為最大斜材肢厚，tn表示主材肢厚，連接節點水平節點板塊的實際設計流程如圖1所示。

圖1 水平節點板寬設計流程

1.2 水平節點板厚度設計

根據強節點弱構件原則，當拉力形成一定負載時，過渡節點被毀應當在強度較小而且所受力量比較集聚的主材上出現，一般而言，下端雙角鋼強度要比上端單角鋼截面強度大，為此在單角鋼主材的地方會出現毀壞問題。為此，在單角鋼主材受力的情況下，可把水平節點板與十字靴板當做制約界限。在不考慮加勁板所產生的影響，以下十字靴板為基礎來劃分水平節點板，共分成四個區域，在各個具體的區域，皆能夠視為直角邊支承、剩下邊自主的承擔面外負載的區隔板。當上端負荷從單角鋼處傳播二至，能夠把其視為十字靴板水平截面的負荷分散情況。在該截面中沒有通過A部分區域，因此可以認為該區域沒有荷載直接產生作用，面外荷載為零。

根據過渡節點受力的原理來進行分析，利用螺栓群的功能，拉力自單角鋼處開始向外散發。通過彎曲強度對橫向節點板進行管控，此是單雙角過渡節點的主要樞紐，同時也是把負荷自上端傳輸至下端的構件。在連接節點傳輸負荷的過程中，由于上部和下部靴板形心會發生一定的偏移，因此水平連接板會產生一定的彎曲應力，在本文中將彎曲應力作為控制因素來對水平連接板厚度進行計算?；趹U散傳輸原理，在靴板由橫向節點板傳輸過程中，應力并非順著靴板寬勻稱分散。在靴板的地方進行傳輸時，應力先自螺栓孔兩端向外擴散，之后再朝著橫向節點板方向分散。在擴散期間最好將角度確定為30度。為此應力在這個擴散長度中呈現為集聚態勢，為此應力數值較高，而超出該范圍后靴板傳力變弱，應力分散，因此應力值也變小。在靴板的上下交匯處，靴板豎向連續，因此會有較為明顯的應力集中。同時該部位也是應力控制截面，在設計中，首先要架設該部應力滿足設計屈服應力。根據上述內容，對靴板應力擴散范圍進行分析計算。先是把強化長度界定成L。依據分布的差異，在改長度內適當強化考慮，計算式為：

式中h1代表的是主材角鋼螺栓的具體高度，q0代表的是靴板布線負載，q代表的是強化范疇內布線負載，f代表設計的力度，F代表的是單角鋼拉力設定數值，B代表中間節點板的具體寬度尺寸，t1、t2代表上靴板和下靴板的具體厚度尺寸。

在D區域板中，可以看做是一個能夠成熟矩形分布局部荷載的板，其直角邊發揮支撐功能，剩余邊處于自由形態，在切角位置所受力量有限，能夠節省用料，對板厚所產生的影響特別小。在圖3的狀況下，若板邊長產生變動，條狀分布負荷并不會表現為二維的變動，僅是在長度方面出現變動，為此支撐邊彎矩和L間呈現為線形關系。為了使得量綱能夠匹配，要將均布荷載轉換為線荷載，根據以下公式來計算水平節點板厚以及彎曲應力：

式中M代表的是支承邊的線彎矩的具體數值，α代表的是內力系數，依據有關信息可以得知，L代表的是靴板應力傳輸距離，q代表的是強化長度內布線負荷。

關于α系數的數據的確定依托仿真模擬構建相對應的差值區間，需要確保在過渡節點的地方單角鋼與雙腳鋼的中心線處于相同位置，為此上十字靴板與下十字靴板間所錯開的距離，即條狀負荷和支承邊距離處在恰當范疇，為此可采用查表差值的方式對α系數的數值進行明確。依據(2)式能夠得到α的等式為：

構建相應的臨邊支承板模型，確定條狀負載距離Y至邊長的間距是（0.08 ～ 0.2）b。

將條狀負載施加到板的各個加載處，然后核算支承邊所受的具體力量情況?？蓪⒑奢d的數確定為100MPa，寬度20mm，可將等效均布線負荷確定為2000N/mm，L=500mm，t=50mm。

同時可以看出，支承邊界的最大應力與線荷載距離之間具有現象關系，因此固定好上部靴板尾椎后，最大應力與強化長度L成正比，因此（2）式合理。

2 理論計算與有限元驗證

2.1 節點模型

在某輸電鐵塔過渡節點角鋼主材距離來說，雙角鋼截面2∟250×24H，單角鋼截面為∟280×35。本文注重研究水平節點板設計，根據強節點弱構件原則，因此下十字靴板厚度取為24mm，上十字靴板厚度為36mm。假設焊縫和羅山具有足夠的連接強度，同時忽略連接破壞。

2.2 理論計算

以螺栓布置情況為基礎，單角鋼螺栓高度h1=540mm，因此L=624mm。B、D區具有390mm的強化長度。在計算中假設塔腳板厚度不小于35mm，取f=265MPa，支承邊與荷載中心之間的距離為78mm。在B、D區隔板長度為590mm，間隔距離比為0.132，查表可知α=0.1098。依據上述數值，各軸拉負荷核算的橫向節點板厚度數值見表2。

表2 不同拉力作用下水平節點板板厚算式計算值

2.3 有限元驗證

運用ABAQUS構建有限元的框架模型，節點板的規格與靴板的規格。單雙角鋼節點有限元模型的建立方法和分析方法為：

（1）運用S4R模型單元，即對剪切效應的四節點二次單元進行綜合考量，若有十分嚴重的扭曲狀況，這個單元可防止剪切自鎖問題的產生。

（2）把鉸鏈制約設定在雙角鋼底端，節點模擬設定成靜定架構。

（3）依照圖紙對靴板的螺栓孔與角鋼進行設計，運用剛性傘域仿真方式。

（4）運用靜力通用剖析方式，另外應當關注材料自身的特點與幾何非線性特點。

（5）應持續調節橫向節點板的具體厚度，得出拉力負載各異狀況下出現塑性應力之前橫向節點板的具體厚度，詳情見表3所示。

表3 不同拉力作用下水平節點板板厚有限元計算值

3 結語

本文根據過渡節點的受力原理，毀壞原理和有關設計標準確定了節點板的設計方式和計算方式?；诎鍤だ碚搶ⅵ料禂狄狡渲?，同時深入考量十字靴板的制約功能和過渡節點應力集聚和所受力量不均勻的作用。