桿塔結構兩種主斜材連接節點研究

姜玉挺，潘連武，張 健，楊禮東,徐偉東

(1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021；2.國網遼寧省電力有限公司，沈陽 110006)

桿塔結構廣泛應用于國內外的電網建設中，整塔分析一般采用有限元桁架模型，分析方法較為明確。但目前對于桿塔結構的節點分析尚不完善，很多節點構造主要依靠工程經驗，或者過于保守，或者存在隱患，缺乏系統的理論分析[1-3]。

桿塔結構主材與斜材的節點連接形式多樣，主要與主材肢寬、斜材桿端螺栓數量、設計習慣等有關。各級電壓等級的輸電桿塔中，斜材采用兩個螺栓與主材連接的情況較常見。當主材肢寬較寬時，在滿足構造要求的情況下，一般將斜材端頭的兩個螺栓直接打在主材上，不使用節點板，此種連接傳力明確，操作簡便。但是當斜材螺栓直接打在主材上而螺栓距主材肢尖的距離不滿足構造要求時，斜材需要采用節點板與主材相連，這是十分常見的情況[4-5]。此種情況通常有兩種構造方式,第一種是將內側斜材最端頭的螺栓打在主材上，第二個螺栓通過節點板與主材相連，但是由于節點板在主材外部，內側斜材與節點板之間存在空隙，需添加一個與主材同厚的墊塊；第二種是將內側斜材的兩個螺栓全部拉出主材通過節點板與主材相連，不需墊塊，以上兩種節點分別稱為節點1與節點2。該兩種節點都十分常用，但哪種節點的性能更優未有定論。本文基于某單回路500 kV工程，采用ABAQUS有限元軟件建立足尺模型，對兩種節點多方面性能進行對比分析，為今后的輸電桿塔主斜材的節點構造提供設計依據。

1 力學性能對比分析

1.1 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對兩種節點進行模擬分析，嚴格按照構件尺寸與材質以及負頭等空間位置關系建立模型，主材為Q420L140×10，上斜材為Q345L75×6，下斜材為Q345L80×6，節點板為Q345-8。螺栓與鋼材之間以及節點板與鋼材之間建立雙向摩擦接觸，切向采用庫倫摩擦模型，法向采用“硬接觸”，同時給螺栓施加預緊力。采用結構化網格劃分技術對結構進行網格劃分，單元類型選用C3D8R，考慮幾何非線性與材料非線性對節點進行精細化分析[6-10]。考慮正側面斜材的同時作用以及節點2的內側斜材碰撞切肢情況，建立的兩種節點足尺模型見圖1。

圖1 兩種節點足尺模型

1.2 荷載與約束

有限元模型主材底部采用三向鉸接約束，頂部約束平面外兩個水平方向，軸向施加由整塔分析提取的軸向力。上下斜材通過建立局部坐標系將與桿長垂直的兩個方向進行鉸接約束，沿桿長方向施加軸向力，采用多荷載逐步施加，起始荷載為整塔分析提取的桿件軸力，上下斜材軸力等比例增加。

1.3 結果分析

節點1分析結果見圖2，由于螺栓的應力較大，為了更好地顯示桿件應力，在云圖中將螺栓隱藏。由于內側斜材的受壓效應，主材與節點板受到擠壓，產生較大的應變，進而達到屈服強度，直至破壞，此時施加于斜材的最大軸向力為112.3kN。主斜材中線交點處變形最大，為6.7mm。

圖2 節點1分析結果(隱藏螺栓)

節點2分析結果見圖3，受壓下斜材兩肢交點處由于變形較大首先達到屈服強度，之后其他斜材與節點板接觸位置陸續達到屈服強度，直到節點因變形過大而不能繼續承載，此時施加于斜材的最大軸向力為97.7 kN。受壓下斜材兩肢交點與節點板接觸位置變形最大，達到27.9 mm，其次是拉出的上斜材兩肢交點處變形較大。由于斜材拉出，受壓時節點處會產生較大的面外變形，兩肢交點離主材邊緣越遠，代表其懸挑越大，則其變形越大，進而導致節點破壞。

圖3 節點2分析結果(隱藏螺栓)

以上結果顯示，節點1由于節點板較小，桿件與節點板可以更好地協同傳力，主材的強度與剛度對節點力學性能貢獻較大；節點2由于節點板較大，節點的強度主要與節點板的面外變形有關，桿件與節點板協同工作效果較弱，節點1的承載能力高于節點2的承載能力15%左右，且節點1的剛度遠大于節點2。

2 用鋼量及安裝對比分析

2.1 用鋼量對比

節點2相比于節點1雖板型增大，但無墊塊，同時斜材長度有所減少，兩種節點具體用鋼量見表1。

節點2質量較節點1增加0.54kg，所增質量對于桿塔結構用鋼量而言基本可以忽略不計。

表1 兩種節點用鋼量對比 kg

2.2 安裝便捷性對比

經過大量工程實踐以及相關塔廠與施工單位反映，節點1由于存在墊塊較節點2更不易安裝，同時墊塊容易丟失，部分施工單位以多個墊片來代替墊塊，塔位安全性將存在很大隱患。同時節點1的主材內側正側面角鋼一般存在相碰的情況，需要做切肢處理，這也增加了塔廠加工放樣的工作量。

通過以上分析，在安裝便捷性方面，節點2顯著優于節點1。

3 結論

主材內側斜材直接打在主材上的節點力學性能優于斜材拉出主材的節點連接，兩種節點用鋼量基本相當，內側斜材拉出主材的節點施工便捷性明顯優于斜材伸入主材內部的節點連接。就實際工程而言，塔身斜材一般由長細比控制，節點受力較小，考慮到切肢與安裝的復雜性，推薦采用節點2的連接方式。橫擔下平面等部位的斜材長細比一般較小，節點受力較大，推薦采用節點1的連接方式。