輸電線路塔架結構連接節點加固研究

劉強 徐冰 盧本初

摘 要：為解決輸電線路塔架上部結構與基礎連接節點加固的關鍵問題，采用ABAQUS建立該節點有限元實體單元模型，并考慮自然災害下不同受力工況，并與原規范和現行規范的計算結果進行對比。研究結果表明，考慮上部結構加固后，該節點最薄弱處為靴板與主材連接螺栓剪切破壞，整體承載力裕度需加強。由此提出在不停電施工前提下，與上部結構主材加固型式匹配的節點加固方案，并通過實際試驗進行了驗證。節點加固研究成果有利于提高輸電線路使用價值，也為同類裝配式建筑節點加固研究提供了新思路。

關鍵詞：輸電線路；塔架；連接節點；加固

中圖分類號：TM754;TU391

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0136-05

Research on reinforcement of connection nodes of transmission line towers

LIU Qiang1，XU Bing2，LU Benchu2

（1.Guangxi Society of Mechanics，Nanning 530001，China;

2.China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Nanning 530023，China）

Abstract：In order to solve the key problem of strengthening the connection nodes between the upper structure and foundation of transmission line towers，was used to establish a finite element real element model of this node，different stress conditions under natural disasters were considered，and the calculation results with the original and current specifications was compared.The research results indicated that after considering the reinforcement of the upper structure，the weakest point of the node was the shear failure of the connecting bolts between the shoe plate and the main material，and the overall bearing capacity margin needed to be strengthened.Therefore，under the premise of uninterrupted construction，a joint reinforcement scheme matching the reinforcement type of the main material of the superstructure was proposed，and verified by practical tests.This node reinforcement plan is beneficial for improving the service value of transmission lines and also provides new ideas for the research of node reinforcement in similar prefabricated buildings.

Key words：

transmission line;tower; connection nodes; reinforcement

目前對于輸電塔架上部結構和基礎的加固，國內外的專家已有了一些理論和試驗研究。如

提出采用主角鋼外側并聯不等邊角鋼的方式進行輸電鐵塔加固［1］；

研究了不同覆冰厚度和風速條件下鐵塔本體最薄弱部位［2］；

對比了輸電線路鐵塔十字型，Z字型，T字型截面主角鋼的加固效果［3］；

對塔身增設橫隔面后的塔架局部結構進行了試驗研究和有限元分析［4］；

對鐵塔本體加固前后軸向應力與節點位移的關系進行了研究［5］；

研發了新型夾具將加固角鋼與主材角鋼緊密連接形成的T型組合截面構件［6］。

現有輸電塔架加固研究集中在主材和基礎方面，對承受關鍵荷載的輸電塔架上部結構和基礎之間的連接節點加固研究較少（以下簡稱“連接節點”），而現行規范僅對該節點的底板簡化計算，其整體承載力裕度不明確。本研究選取了早期投運的 ZGU1型直線輸電線路塔型作為研究對象，分析連接節點整體承載力和變形程度，在不停電施工前提下，提出安全可靠，經濟可行的節點加固方案。

1 連接節點有限元整體分析

1.1 模型尺寸選取

根據ZGU1型輸電塔施工圖，連接節點實際尺寸見圖1（a）和圖1（b）；其中底板螺栓規格為M42，其余連接螺栓規格為6.8級M16，材質均為Q235鋼材。

1.2 單元類型

ABAQUS包含的單元大多數都是結構單元，包括桿單元、梁單元、管單元、殼單元、實體單元等等，根據不同的分析目的和需求可選擇不同的單元。在選取單元類型時，除了符合結構實際力學行為外，還需綜合考慮模型的計算精確性和計算效率等，連接節點的模型擬選用殼和實體單元，然而殼單元一般用于模擬平板或者曲殼一類的結構，要比實體單元復雜得多，且對于板件寬厚比有大于10的要求，考慮到構件的實際形狀和建模的便捷性，選用實體單元進行建模分析。

1.3 材料屬性與模型裝配

鋼材在拉伸試驗下得到的應力-應變曲線（σ-ε曲線），通常在ABAQUS中一般不會精確輸入，而是采用簡化模型代替。如雙線性隨動強化模型（BKIN）、多線性隨動強化模型（MKIN 與 KINH）、非線性隨動強化模型（CHAB）、雙線性等向強化模型（BISO）、多線性等向強化模型（MISO）等。涉及的構件均為靜力且單調加載，因此選用雙線性等向強化模型［7］，強化階段的折線斜率為0.03E（E為彈性模量）。因考慮主角鋼已加強，視為剛體，與其連接螺栓采用6.8級，抗拉強度為600 MPa，屈服強度為480 MPa。其他鋼材強度等級為Q235，彈性模量（E）取200 GPa，屈服強度取235 MPa，泊松比取0.3。單元網絡劃分采用掃掠劃分螺栓模型與節點整體模型如圖2（a）、圖2（b）所示。

1.4 接觸、邊界條件及分析步設置

主角鋼、螺栓、加勁板和靴板間采用接觸連接，切向摩擦系數設置為0.2，法向為硬接觸［8］。底板和靴板間采用綁定的方式連接，底板與基礎連接設置為固端，進行有限元分析時忽略焊接質量及焊接殘余應力對加勁肋連接的影響［9-10］。工程模型分析屬于準靜態問題，故采用顯式動力學進行分析，因此本文的模擬過程分為初始應力平衡和顯式動力分析2個階段，頻率設置為50 Hz。

1.5 荷載計算與加載設置

根據原設計規范的要求，對于正在運行輸電塔架，可不考慮安裝工況，各工況組合及受力計算結果如表1所示。其中，支座處x、y、z方向如圖3所示。

通過計算，取各工況的最不利基礎作用力，Fx=47.1 kN，Fy=50.22 kN，Fz=502.33 kN，主角鋼方向上拔合力550.68 kN，如圖3所示。按實際受力情況，幅值類型設置為“平滑分析步”。

1.6 結果分析

連接節點有限元整體分析如圖4所示。

通過有限元軟件ABAQUS得到的破壞情況如圖4（a）所示，靴板與主角鋼的連接螺栓在接觸平面發生剪切破壞，由此得到極限承載力為769 kN，安全裕度約為40%。由圖4（b）可知，當主角鋼的豎向位移達到6 mm時，主角鋼的螺栓發生剪切破壞，應增加主角鋼螺栓的抗剪能力，從而提高節點的承載力。將節點底板按靴板位置分為4個區格，從圖4（c）節點底板豎向位移云圖可明顯判斷，最大豎向位移位置處于底板最小區格的自由側邊緣處。該處沒有被破壞，故底板豎向位移不作為破壞準則的控制參數。

2 規范計算對比

為了分析上述節點有限元計算，與按規范計算的結果差異，選用節點底板厚度作為衡量承載力的主要對比參數，該節點的靴板和加勁板尺寸根據構造要求配置，根據原設計規范SDGJ 94—1990《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》，采用區格法計算該節點底板的厚度（t）：

t≥11.13T×ymax4bmin×f（1）

式中：T為底板上作用的拉力，N；ymax為底腳螺栓中心至主角鋼的最大距離，mm；bmin為底板各區段中的最小寬度，mm。

根據現行規范［11］，采用屈服線法計算該節點底板的厚度：

t=max（t1，t2）

t1=1.21Tfy/rRLb1-y1+2b1y1-1（2）

t2=0.48Tfy/rRy2b2（3）

式中：T為底板上作用的拉力；L為區隔Ⅰ的加勁板的長度；b1為區隔Ⅰ的寬度；y1為區隔Ⅰ地腳螺栓中心至靴板的距離；y2為區隔Ⅱ地腳螺栓中心至靴板的距離；b2為區隔Ⅱ的寬度。

該連接節點受壓時，由于靴板及加勁板的豎向剛度較大而底板的豎向剛度相對較小，底板和基礎間的壓力并非均勻分布，而是主要分布在靴板和加勁板附近，因此底板承受的彎矩相對較小，受壓工況一般不控制節點底板的厚度［12］。故選取工況組合后的基礎作用最大上拔力進行對比，計算結果如表2所示。

由表2可知，考慮連接節點整體受力和塑性性能后，有限元計算節點底板厚度的結果比規范設計相對偏小，更能充分發揮材料性能。而原設計規范的承載力裕度較大，現行規范雖然進行了改進，但是承載力裕度仍然偏大，故按規范簡化計算節點承載力裕度與實際偏差較大。

3 加固方案設計優化

3.1 結構設計

經上述有限元分析，塔架與基礎連接節點的破壞處為與主材連接螺栓抗剪不足，為增強連接節點螺栓的抗剪能力，使該節點加固的安全裕度與上部結構加固后的安全裕度匹配，設計如下3種加固方案。

3.1.1 提高螺栓抗剪強度及增加側邊螺栓抗剪力

施工圖中節點與主材連接使用6.8級螺栓，經核算，該級別的螺栓不足以承受工況組合后產生的剪力，故加固方案一采用抗剪性能更好的高強螺栓，并考慮螺紋不進入剪切面。同時將單側螺栓增加為雙側螺栓，對應靴板也對應開孔，新增抗剪螺栓與原靴板和加固后十字角鋼相連，根據構造規范［13］要求，由于原靴板位置有限，考慮螺栓孔距和端距的最大、最小容許距離，僅能開2個孔。

3.1.2 增加承剪面數量

將原來單承剪面增加到雙承剪面，即在原肢寬110 mm主角鋼內側，增加L100×10角鋼，長度大于等于325 mm，內貼角鋼的底部與節點底板進行焊接，該方案不僅需在L100×10角鋼開孔，并單面焊接，施工難度相對較大。

3.1.3 增加螺栓孔的直徑，加大螺栓規格

采用8.8級M20螺栓代替原6.8級M16螺栓，增加螺栓抗剪面積，需要現場從直徑17.5 mm擴孔到21.5 mm，施工質量難以把控，而且對施工過程破壞鍍鋅層需重新恢復。

3.2 加固后連接節點有限元分析

加固后的本構模型與加固前保持一致，均為雙線性等向強化模型。經測算，主角鋼與節點連接螺栓采用10.9級的高強螺栓，加固的加勁板與底板按綁定設置。模型發生結構破壞時的應力云圖如圖5所示。

由圖5可知，可以明顯看到加固后依然是主角鋼的連接螺栓發生剪切破壞，此時主角鋼的上拔力約為1 045 kN，承載力約提高了35%。

4 真型試驗對比

4.1 試驗設計

為了驗證有限元計算的合理性和連接節點的受力特性，按技術規范書的構造要求加工本試驗試件，設置了未加固的連接節點和加固后連接節點對照組。為了得到該節點在試驗過程中的受力情況，在底板和靴板布置了測點。應變片布置位置是根據有限元仿真計算得出的應變較大處，位移計布置是根據有限元計算在變形最大處進行設置，與此同時，在若干特征點也設置位移計作為適當的參照對比，用于測量底板變形的撓度。

本試驗參照裝配式鋼結構連接方式試驗的加載方式［14］，采用單調靜力加載，加載過程采用分級加載，同時記錄相應的荷載應變和位移值。按計算的極限荷載，對于試件位移和應變片應變尚未急劇增大的情況，以底板的最大豎向位移值大于等于1.5 mm作為停止加載的條件。

4.2 試驗與理論分析結果對比

通過上述試驗，得到連接節點在加載過程中的受力情況和變形數據。而有限元分析則可以通過數值模擬預測加固方案的效果，并得到節點的應力分布和變形情況，加固前的實驗與理論分析數據對比如圖6（a）和圖6（b）所示，加固后的實驗與理論分析數據對比如圖7（a）和圖7（b）所示。

由圖6和圖7可知，加固前后的節點均在角鋼的連接螺栓處發生剪切破壞，切口平整，與有限元模擬結果一致。無論加固前還是加固后，承載力、主角鋼豎向位移、較大的變形對比試驗結果誤差均為5%以內，計算結果與試驗結果吻合度良好，說明有限元模型參數選擇合理，分析結果準確可靠，可用于評估加固方案的準確性和可行性。

5 結語

（1）未加固連接節點的整體承載力裕度約40%，破壞條件是靴板與主角鋼的連接螺栓在接觸平面抗剪不足，連接節點的靴板、加勁板和底板的應力比相對較小，其底板最大豎向變形的撓度值小于0.2 mm，均不起控制作用，故對于連接節點加固需提高與主角鋼連接螺栓的抗剪強度；

（2）采用連接節點的有限元實體模型分析，相比現行規范計算結果，更能如實反映連接節點整體承載力受力情況，隨著基礎作用力不同，底板厚度可減少8%～30%；

（3）對連接節點加固設計，采用三維實體單元有限元建模，結合受力分析和真型試驗組裝，不僅能驗證有限元計算適應性，而且可有效檢查連接節點加固后，各板件是否相碰、安裝操作空間裕度，以及上部鐵塔根開與下部基礎根開是否匹配等實際應用的關鍵問題；

（4）通過不同加固方案的對比，設計了便于施工，安全可靠，經濟可行的連接節點加固裝置，可有效配合輸電塔架上部結構的主角鋼十字加固、一字加固或者夾具式加固等構造形式，使得加固裝置、原連接節點和上部結構共同受力。該連接節點加固研究成果不僅有利于提高輸電線路全壽命周期的使用價值，也為后續輸電線路整體加固奠定了基礎。

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收稿日期：2023-11-21；修回日期：2024-02-21

作者簡介：劉 強（1981-），男，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路結構設計研究；E-mail：lqiangirgg@sina.com。

基金項目：廣西壯族自治區科技廳科研項目（項目編號：2020GXNSFAA297238）；

廣西壯族自治區教育廳科研項目（項目編號：2021KY1267）。

引文格式：

劉 強，徐 冰，盧本初.輸電線路塔架結構連接節點加固研究［J］.粘接，2024，51（3）：136-140.