大規格角鋼軸壓桿件螺栓節點強度研究

苑士巖,姜玉挺,楊禮東

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著我國經濟快速發展，用電量需求不斷增加，大跨度、遠距離、高電壓等級的輸電線路得到廣泛推廣應用，在這種情況下，對于塔身主材而言，常規角鋼(肢寬不大于200 mm)很難滿足使用要求，需要采用雙(多)拼組合角鋼或者大規格角鋼。采用雙拼和多拼組合角鋼時，導致桿塔結構復雜，角鋼之間受力分配不均勻，造成鐵塔結構在加載到理論破壞荷載之前破壞，另外，螺栓通過厚度和層數量增加，給輸電線路鐵塔施工帶來不便[1]。大規格角鋼肢寬和肢厚均比較大，可以大幅度提高桿件的承載能力，與雙拼或多拼組合角鋼桿件相比，其傳力清晰、質量更輕、施工安裝簡便，在特高壓鐵塔設計中得到了廣泛使用。

對于大規格角鋼軸心受壓桿件強度計算問題，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》給出了計算公式，對于雙面雙排和三排螺栓布置，凈截面計算時分別減2個孔和3個孔。文獻[2]指出，角鋼螺栓連接節點受壓時，破壞不會像受拉時那樣發生鋸齒形破壞，而是由于孔壁擠壓破壞導致節點失效；在有限元分析結果基礎上，提出角鋼螺栓連接節點受壓時，角鋼構件的強度可以得到充分發揮，截面相當于基本無削弱，減孔數可取為0。

鑒于以上兩種算法差異較大，本文將對大規格角鋼螺栓節點進行數值模擬分析，根據理論分析和有限元計算結果，對DL/T 5154—2012的公式進行修正，為今后大規格角鋼受壓凈截面強度計算提供一定的理論依據。

1 ANSYS有限元分析

1.1 有限元模型

為了研究角鋼節點在壓力作用下的受力性能，本文對不同角鋼規格、螺栓型號以及螺栓布置形式進行有限元建模分析[3],見圖1。根據計算結果，發現各種角鋼節點的應力分布、變形特征以及破壞形態基本一致，這里僅對∟250 mm×22 mm規格角鋼[4]，雙排螺栓連接的角鋼節點的計算結果進行詳細論述，其螺栓采用8.8級M24 mm，螺栓孔徑為25.5 mm，準距為100/200，螺栓間距60 mm。

圖1 角鋼有限元模型

1.2 計算結果及結果分析

對上述節點模型進行有限元計算，得到角鋼節點的馮·米塞斯(Von Mises)應力分布、塑性應變以及軸向變形情況。

角鋼節點Von Mises應力云圖、塑性應變云圖、軸向應力、軸向位移見圖2。由2a可以看出，靠近加載端一側的應力比較大，越遠離加載端，應力越小，表現出較明顯的應力梯度；而且最大應力出現在第一排孔后部與螺桿脫離的截面處。由2b可以看出，由于孔壁擠壓導致孔前截面出現塑性變形，孔后截面在較小區域內受力由壓應力突變為拉應力，表現出高度非線性，受力較為復雜。由2c可以看出，角鋼節點塑性應變集中分布于孔壁與螺桿擠壓處，而且前兩排螺栓孔處的塑性變形較大，其余區域基本沒有塑性變形；孔前由于孔壁擠壓出現壓縮塑性變形，同時孔后側出現受拉塑性變形，由于鋼材的孔壁擠壓設計值較高，螺栓孔后側截面強度成為確定角鋼節點連接強度的重點部位。由2d可以看出，靠近加載端變形等值線傾斜較嚴重，遠離加載端逐漸與角鋼截面平行，表明角鋼接頭螺栓左高右低的排列方式使得變形不均勻；螺栓群處角鋼變形較小。

(a).應力云圖 (b).軸向應力

(c).塑性應變云圖 (d).軸向位移

2 角鋼節點受壓分析

2.1 節點受壓分析

對于角鋼塔而言，螺栓連接(見圖3)是最常用的節點連接方式，外力通過螺栓孔壁和螺桿承壓傳遞。圖3中，對左側小鋼板和右側蓋板施加相等的拉力或壓力，螺桿和螺栓孔壁會在外力作用下接觸，并通過它們相互作用來抵抗外力。取螺桿左側小鋼板作為脫離體，脫離體受力情況見圖4，在壓力作用下，除凈截面承擔部分壓力(N1)外，還有一部分壓力(N2)由螺栓孔壁承擔，此時有N=N1+N2。

圖3 鋼板螺栓節點連接示意圖

圖4 脫離體受力示意圖

由于螺栓節點受壓特點，螺栓孔與螺桿接觸傳力部分受壓強度提高，但是另一側螺栓孔與螺桿分離處的截面削弱是真實存在的，在連接工作進入彈塑性階段后，要對此處的板件凈截面進行強度計算，以保證板件不發生強度破壞。

2.2 對規范公式修正

對雙面雙排、三排螺栓連接節點，見圖5，所受壓力為F，全部螺栓數量為n，毛截面面積為A，凈截面面積為A0。根據2.1節的分析可知，圖5中斷面左側截面受壓強度高，不會發生受壓破壞；對于圖中斷面右側截面，其受力大小為(n-2)·F/n，截面應力為(n-2)·F/(n·A0), 與DL/T 5154—2012第6.1.1條公式對比可知，此表達式是對規范公式中的軸心壓力設計值進行了折減，折減系數為(n-2)/n。對雙面三排螺栓連接節點做相同分析可得，折減系數為(n-3)/n，將上述分析所得表達式整理得到軸心受壓角鋼桿件螺栓連接節點強度公式為：

圖5 單角鋼接頭示意圖

ψN/A≤m·f

(1)

式中：N為軸心壓力設計值；ψ為軸心壓力設計值折減系數，雙排螺栓連接時取(n-2)/n，三排螺栓連接時取(n-3)/n；m為構件強度折減系數，按DL/T 5154—2012取值。

根據全截面受壓強度與按公式(1)算得削弱截面受壓強度相等的條件，分別推導出不同規格角鋼兩排和三排螺栓連接時的最少螺栓數量。當螺栓數量少于表1中數值，則不需要進行節點受壓強度計算，當螺栓數量大于表1中數值，則需要進行節點受壓強度的計算。由表1可知，對于角鋼肢寬為220 mm、250 mm及280 mm的桿件，一端螺栓連接數量分別為大于等于17、19和22時，需要對受壓節點進行強度計算，否則，不需要進行螺栓節點強度驗算；對于相同規格角鋼，是否需要對受壓節點進行強度計算，僅與連接螺栓數量有關，與螺栓布置形式無關(需滿足構造要求)，但是，三排螺栓布置的軸心壓力折減系數更小。

表1 雙排、三排螺栓節點信息表

3 結論

本文利用通用有限元程序ANSYS建立角鋼軸心受壓桿件螺栓節點模型，并進行非線性分析計算，將所得結果與規范公式計算結果進行對比分析，得到以下結論：DL/T 5154-2012規范公式計算結果偏于保守，不能充分發揮材料強度性能，本文提出的計算方法能夠在保證角鋼節點安全的前提下，充分發揮螺栓連接節點的強度；角鋼螺栓連接節點的螺栓數量小于某個值時，截面的減孔數可取為0；超過這個值以后，可對軸心壓力進行折減之后，進行凈截面強度計算。