輸電塔單雙角鋼過渡節點承載力研究綜述

摘" 要：輸電塔常采用上部單肢角鋼主材下部組合雙角鋼主材的構造型式，在單雙角鋼過渡節點由于上下主材重心重合必然導致上下靴板形成偏心，規范中尚無對此類節點的設計方法。該文介紹單雙角鋼過渡節點承載力的研究狀況及目前的研究進展，概述其要受力特點、破壞模式，總結單雙角鋼過渡節點的實驗結果和數值模型。最后，對單雙角鋼過渡節點的承載力研究進行展望。

關鍵詞：單雙角鋼過渡節點；承載力；節點板；靴板；水平板

中圖分類號：TM75" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0089-04

隨著我國電力需求的持續增加以及可持續發展戰略的推動，輸電系統的建設顯得尤為重要。在高電壓等級輸電鐵塔中，通常采用上部單角鋼主材下部組合雙角鋼主材的型式，這種設計方式在節省材料及滿足承載力的要求上取得平衡，但也必然在單雙角鋼過渡節點處造成上下靴板偏心，如圖1所示[1]。目前，我國在輸電鐵塔單雙角鋼過渡節點的設計規范存在一定的空白，設計人員普遍依賴于經驗，導致相同工況下的節點設計結果差異較大，且常因過度保證安全而導致節點體積和節點板厚度過大，從而引起材料浪費及運輸安裝困難。

近年來，國內外學者通過實驗研究和理論分析對輸電塔單雙角鋼過渡節點承載力展開了研究，但由于實驗參數、設計理念的不同，各研究結果具有一定的差異性。本文總結了輸電塔單雙角鋼過渡節點承載力的研究結果，歸納了過渡節點破壞機理以及理論模型，并為后續研究提出一些建議，希望能為單雙角鋼過渡節點承載力研究提供參考。

1" 單雙角鋼過渡節點承載力的實驗研究

單雙角鋼過渡節點承載力研究的一個核心問題是節點破壞模式的確定，可能存在的影響因素包括水平板的厚度、水平板的長寬、上下靴板偏心距和上下靴板的厚度等。但由于過渡節點尺寸較大、加工困難，實驗中往往只對少量試件進行試驗，難以全面分析各因素的作用。此外，受實驗參數選取的差異、實驗裝置的限制等影響，部分研究未取得理想的實驗結果。

1.1" 節點板未發生破壞

楊垂瑋等[2]、陳旭陽[3]選取某輸電塔單雙角鋼過渡節點，分析水平板、上下靴板的厚度對節點承載力的影響。試驗制作5個不同幾何規格的試件，共計進行3組試驗。第1組為彈性階段水平板厚度對照試驗，即靴板厚度不變，調整水平板厚度分別進行彈性階段上拔、下載加載試驗；第2組為彈性階段靴板厚度對照組試驗，即水平板厚度不變，調整靴板厚度分別進行彈性階段上拔、下載加載試驗；第3組為破壞試驗，即選取水平板厚度最小的試件進行拉壓破壞試驗；各試驗組均在水平板和靴板布置應變花及測點。

根據試驗結果，在各測點處隨著水平板厚的增加，應變隨之減小。此外實驗發現即使加載荷載超出設計荷載20%各測點位置仍未屈服，上拔破壞試驗加載到設備最大行程試件仍未破壞，僅工裝夾具破壞，下壓破壞試驗加載到2 600 kN試件未破壞。

楊利容等[4]選取某500 kV線路中單雙角鋼過渡節點進行拉壓試驗，驗證節點設計的可行性。試驗制作3個不同幾何規格的試件，共計進行兩壓一拉3組試驗，各試件均在水平板、靴板以及角鋼處布置測點。3組試驗均為角鋼與試驗臺接觸端部屈曲或頸縮破壞，加載過程中水平板及靴板均未發生明顯變形，各測點未達到屈服。

此類試驗證明了設計人員根據經驗設計往往保留較大的安全裕度，使節點尺寸過大。此外，楊垂瑋、陳旭陽等試驗結果說明了水平板厚度是節點設計的一個主要控制因素。

1.2" 節點板發生彎曲破壞

徐再根等[5]選取3個單雙角鋼過渡節點共制作8個試件，其中6個足尺試件分別做彈性階段拉壓試驗，2個縮尺試件做拉壓破壞試驗，各試件均在水平板和靴板相交區域附近布置應變花及應變片。

根據彈性試驗結果，水平板上對應上、下靴板的十字交匯處水平應力最大，且水平應力隨著距離增加而逐漸減小。破壞試驗顯示由于上、下靴板存在偏心，當荷載由靴板傳至水平板時，偏心彎矩較大而導致水平板發生彎曲變形，發生彎曲變形的水平板通過焊縫影響了上、下靴板，進而導致上、下靴板出現明顯變形，如圖2所示[5]。

Ma等[6]選取某輸電塔單雙角鋼過渡節點共制作2個試件，2個試件僅水平板厚度及尺寸存在差異，均進行上拔試驗直至試件發生破壞。試驗發現節點破壞模式均為水平板在上靴板側向上彎曲，在下靴板側向下彎曲，發生塑性彎曲變形破壞。分析各點處荷載-應變曲線發現，水平板屈服首先發生在上下靴板相交處。

隨著試驗精度和試驗技巧的提升，單雙角鋼過渡節點承載力試驗證明受上下靴板偏心影響，靴板間的水平板承受較大的平面外彎矩，導致其發生塑性彎曲破壞，甚至可能引起靴板也產生彎曲變形。試驗結果表明，增加水平板厚度可以有效提高節點承載力，但由于試件數量有限，難以全面地分析各因素對承載力的影響，學者們采用有限元模型代替真型試驗可以彌補這一不足，并取得了豐富的研究成果。

2" 單雙角鋼過渡節點承載力的理論分析及數值模擬

實驗結果證實了單雙角鋼過渡節點可能發生水平板受彎破壞，但無法排除其他可能的破壞模式，學者通過理論分析及數值模擬提出了不同的破壞模式，并相應歸納了設計方法，基本可以劃分為以下4類。

2.1" 剪切破壞理論

楊利容等[4]對試件進行有限元建模，發現水平板應力梯度最大部位為上下靴板間區域，在拉壓荷載作用下水平板表面已經屈服進入應變硬化階段，但衰減很快，水平板內部的應力遠小于屈服強度，水平板有足夠的可靠性。由于水平板受力復雜，存在應力集中現象，是設計過渡節點的關鍵部分，可以按下式計算水平板厚度

式中：t為水平板厚度；V為水平板承受的剪力，按照節點軸向荷載1/2估算；l為上下角鋼連接區域的長度，可按雙角鋼的兩肢寬之和取值；fv為水平板抗剪強度設計值。

剪切破壞理論提出時間較早，從近期研究的實驗結果看，水平板主要發生塑性彎曲破壞。相較于水平板厚度，上下靴板間距往往較大，同一截面處水平板受上下靴板相對錯動而產生的彎曲應力將遠大于剪切應力，剪應力一般不起控制作用，但當上下靴板間距很小時，剪應力作用不可忽視。

2.2" 失穩破壞理論

朱昌建等[7]對某工程過渡節點進行了有限元建模，在模型中施加1/1 000的1階特征矢量屈曲變形作為初始缺陷，對比節點長細比、靴板厚度以及水平板厚度對承載力的影響。模擬結果顯示過渡節點以單-雙角鋼破壞為主，當節點板厚度較小時，構件發生單角鋼彎曲失穩，當節點板厚度增加到一定值時，構件發生雙角鋼彎扭失穩，導致節點的承載力降低。節點承載力隨長細比增加而減少，靴板厚度的影響較小。此外，水平板由于受上下靴板相對錯動產生的力偶作用，也存在局部受彎趨勢。過渡節點的承載力按下式確定

式中：N為軸心荷載設計值；φ為穩定系數；A為構件截面面積；f為鋼材強度設計值。使用時需先根據構件尺寸計算換算長細比λω，再查表得到穩定系數。

失穩破壞理論認為過渡節點以角鋼受彎扭屈曲破壞為主，這也符合楊利容等[4]的研究成果，該理論未能提供水平板的設計方法，可以作為其他節點設計理論的補充。

2.3" 彎曲破壞理論

大多數學者認為由于單雙角鋼形心對齊導致上下靴板存在一定的偏心，上靴板豎向荷載一部分通過上下靴板十字交叉處直接傳遞給下靴板，此處水平板屬于三向拉/壓應力狀態，即使出現應力集中也不會造成破壞；剩余部分豎向荷載通過水平板傳遞給下靴板，造成水平板在靴板邊緣存在較大的平面外彎矩，因此水平板容易沿靴板產生彎曲破壞。根據材料力學理論，水平板越厚越能抵抗平面外的荷載，因此彎曲破壞理論一般表現為以下形式

式中：t為水平板厚度；α為形狀系數；M′為截面等效彎矩；f為鋼材強度設計值。不同學者對形狀系數和截面等效彎矩的計算方法存在一定差異。

余亮等[8]、Ma等[6]建立鄰邊支承板模型，將下靴板視作兩臨邊的固定支座，下靴板視作不均勻線荷載加載到水平板上，水平板視作兩臨邊固定、其余邊自由的矩形板。將上靴板應力擴散區域內的荷載等效為均布荷載求得等效彎矩M′，根據上下靴板偏心距e與區塊邊長b的比值擬合得到形狀系數α，并考慮了焊縫導致的塑性發展延遲效應。

徐再根等[1，5]先假設水平板所承受的彎矩全由某方向靴板傳遞的豎向應力產生，再通過擬合確定該計算彎矩與水平板模擬最大彎矩的比值，得出水平板實際承受的最大彎矩，同時考慮靴板豎向荷載分布不均勻提出彎矩強化系數。

楊垂瑋等[2]、陳旭陽等[3]采用積分思想求解上下靴板對水平板的慣性矩比值，同時利用有限元仿真計算找出水平板處彎矩沿水平板長度的分布規律，選取部分滿足平截面假定區域得到了彎矩比值與慣性矩的關系，再等效到整個水平板上，就可以利用材料力學原理求得水平板承載力了。

李亮等[9]同樣采用選取水平板滿足近似平面假定的范圍，進而求解靴板和水平板的彎矩分配系數，最終可以得到水平板的等效彎矩方法，擬合得到了承載力計算公式。但為了工程應用簡便，建議水平板厚度t取不小于單角鋼肢厚減2 mm。

彎曲破壞理論與已有實驗結果較為符合，且計算公式十分簡潔，得到了眾多學者的認可。但由于豎向荷載沿靴板的分布不均勻，靴板邊緣的彎矩目前尚無精確計算方法，大多數學者采取擬合求解的方法來考慮節點幾何尺寸和荷載等效的影響，這也不可避免地導致不同研究中參數選取存在一定差異，目前尚無法達成一致，有待進一步研究。

2.4" 屈服線法理論

薛曉敏等[10]認為過渡節點中任一部件過大變形或材料屈服均將導致節點承載失效，即水平板或靴板形成屈服帶或主材角鋼發生屈曲均判斷過渡節點失效，3種失效模式一般不在同一時刻發生，而首次發生的失效模式對應的荷載即為該過渡節點的承載力。對9種規格的過渡節點進行有限元建模計算后發現，單雙角鋼過渡節點在受拉和受壓情況下的承載力和破壞模式基本類似。

靴板和角鋼在既有規范中[11]已經給出相關計算理論，該研究針對水平板提出一種利用屈服線法的計算理論。屈服線法的基本原則為：假定板塊以屈服線下產生塑性鉸，將原雙向板劃分為若干分塊，每個分塊間在屈服線轉動條件下符合幾何協調關系，然后采用虛功原理或平衡方程來確定雙向板的極限承載力[12-13]。

屈服線法理論具有較強的理論性，力學概念清晰，承載力計算公式也較簡潔。但此方法也存在較強的前提假定，即極限狀態下水平板按照預設的屈服線發生變形，從本研究提出的水平板破壞模式和已有研究成果看，水平板失效時并未沿對角發生屈服，因此屈服線法理論尚需要進一步修正和驗證，是一個很有希望的理論方法。

3" 展望

就目前研究結果來看，單雙角鋼過渡節點承載力主要影響因素為水平板的厚度，這也是大多數研究的重點，并取得了豐富的研究成果。但也應該看到，仍有許多工作仍需要繼續深入，特別是上下靴板與水平板交叉區域，應力梯度大，荷載分布不均勻，目前研究主要采用數據擬合的方式規避對該區域的理論分析。除此之外，靴板加勁板以及斜材對過渡節點承載力的影響目前尚無研究，靴板加勁板可以起到限制水平板與靴板間相對變形的作用，斜材則會使縱橫兩塊靴板上的荷載不再對稱分布，這在工程實際中的影響是不可忽視的，這些因素仍然需要進一步研究發掘。

參考文獻：

[1] 徐再根，劉正偉，劉文棚，等.輸電塔單雙角鋼過渡節點計算方法[J].山東大學學報（工學版），2021，51（1）：87-93.

[2] 楊垂瑋，孟憲喬，蘭志文，等.輸電鐵塔單雙角鋼變換節點試驗研究與承載力計算方法[J].鋼結構，2017，32（6）：59-65.

[3] 陳旭陽.特高壓輸電鐵塔單雙角鋼變換關鍵節點承載能力研究[D].南昌：南昌大學，2016.

[4] 楊利容，鄭勇.單角鋼變雙角鋼節點試驗研究分析[J].四川建筑科學研究，2010，36（1）：40-43.

[5] 徐再根，鄭為東，劉俊才，等.輸電塔單變雙角鋼過渡節點試驗研究與計算方法[J].建筑科學與工程學報，2022，39（2）：69-77.

[6] MA R， YU L， ZHANG H， et al. Experimental and numerical appraisal of steel joints integrated with single- and double-angles for transmission line towers[J].Thin-Walled Structures，2021，164：107833.

[7] 朱昌建，張大長，韓軍科.單、雙角鋼過渡節點軸壓承載力特性的研究[J].工業建筑，2016，46（8）：16-20.

[8] 余亮，王作民，吳森坤，等.架空輸電線路角鋼塔單雙角鋼連接節點設計研究[J].鋼結構，2018，33（3）：63-67.

[9] 李亮，左元龍.特高壓輸電線路桿塔單雙角鋼過渡節點承載力數值模擬研究[J].中國勘察設計，2022（S2）：20-23.

[10] 薛曉敏，袁紅麗，饒翼，等.輸電鐵塔單變雙拼角鋼轉換節點承載力研究[J].西安交通大學學報，2020，54（8）：11-19.

[11] 國家能源局．架空輸電線路桿塔結構設計技術規定：DL/T 5154—2012[S]．北京：中國電力出版社，2012：41-51.

[12] 陳以一，沈祖炎，詹琛，等.直接匯交節點三重屈服線模型及試驗驗證[J].土木工程學報，1999（6）：26-31，39.

[13] 余勇，田中清.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接的拉伸試驗研究[J].結構工程師，1999，15（1）：23-28.

Abstract： Transmission towers often adopt a structural type in which the upper single-leg angle main material is combined with the lower double-leg angle main material. At the single-double angle transition node， the center of gravity of the upper and lower main materials coincides， which will inevitably lead to eccentricity of the upper and lower gusset plates. There is no design method for such joints in the specification. This paper introduces the research status and current research progress on the bearing capacity of single-double angle transition joints， summarizes its main force characteristics and failure modes， and summarizes the experimental results and numerical models of single-double angle transition joints. Finally， the paper provides an outlook on the future research directions in this field.

作者簡介：田雪凱（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為輸電線路結構。