剪力對鋼管塔K型節點局部承載力的影響

白強，舒愛強，包永忠

（中南電力設計院，武漢市，430071）

0 引言

輸電線路鋼管塔采用連接板連接時，K型節點是典型的節點連接形式，而作用在2支管上的力的水平分量形成1對力偶，會引起主鋼管局部屈曲。目前，對這類管-板連接大多采用彈性有限元和應力集中系數的方法來分析鋼管節點的受力性能，對管-板節點的破壞機理還沒有詳細的研究。《建筑鋼結構設計手冊》[1]第11章中給出了沒有環形加強板情況下節點承載力的驗算方法，但計算結果偏保守。國內現有的研究主要集中在相貫焊接方面，節點板連接研究甚少。近年來有少數文獻對節點板連接開展研究，得出了一些有益的結論，但沒有給出最終的K節點局部承載力設計驗算方法[1-6]。

另外，在實際輸電鐵塔中常采用在節點板兩端增加環板的方式來降低主管局部屈曲的影響，而我國沒有相應的節點承載力設計驗算方法。日本《送電用鋼管鐵塔制作基準》[7]中對無加強環環板、半環形（1/4環形）加強板、全圓環加強板等情況均給出了受彎情況下相應的承載力驗算公式，但這些驗算公式都是在簡化模型的條件下給出的，與實際的K型節點存在一定的差異。文獻[8]中的試驗方案采用的單臂長度為650 mm，因此彎剪比始終不變，這與實際K型節點存在一定的差異。為了研究剪力對節點承載力影響，本文通過有限元分析與文獻[8]中的試驗結果進行比較，研究不同單臂長度對主管極限承載力的影響；并與實際K型節點進行比較，探討剪力對K型節點極限承載力的影響。

1 鋼管塔中管-板連接節點受力

1.1 K型節點受力

在高聳鋼管塔中有很多種類型的管-板節點，其中K型節點具有一定的代表性，為此對K型節點進行受力分析。實際K型管-板節點的結構如圖1所示。由圖1（a）可知，在K型節點整體受力平衡的條件下需要滿足：

式中：T為支管拉力；N為支管壓力。

一般K型節點體系中，支管和連接板的強度不控制節點設計。而主管在連接板作用下其管壁局部受力會出現局部屈曲變形，因此主管局部強度是整個K型節點設計的關鍵。為了研究主管受力，將連接板和主管鋼管作為研究對象，主管管壁上受到的外力可以簡化為圖1（b）所示。

式中：M為支管水平分力對主管管壁形成的彎矩；Q為支管垂直分力對主管管壁形成的剪力；S為支管軸線與主管管壁交點的距離；B為節點板長度；P為彎矩在換板形成的拉力或壓力。

1.2 試驗裝置和方案

實驗裝置如圖2所示，試件底部置于底座鋼鉸上，其余桿件端部連于千斤頂上。

2 有限元模型的建立

通過建立有限元模型，分析不同參數模型下的單臂長度對于節點承載力的影響情況，單臂長度為圖3中F2到鋼管壁的距離。本文運用有限元軟件對K型節點進行仿真分析，采用殼單元shell 181來模擬不同參數的節點板、鋼管（即鋼管塔中的主管）和加強環板。對實際K型節點建立精細化的實體模型，單元為solid 45，本構關系為雙線性彈塑性材料。材料參數：彈性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服強度345 MPa[9-10]。

簡化的K節點有限元模型如圖3所示，實際的K型節點有限元模型如圖4所示，簡化模型為文獻[8]和《送電用鋼管鐵塔制作基準》采用的分析模型，實際K節點為仿真輸電塔的K型連接節點。

3 單臂長度對鋼管節點局部承載力的影響

3.1 無加強環板

無加強環板情況下，取構件主管直徑D=219 mm，連接板長度B=657 mm，節點板厚度t=16 mm，則在不同單臂長度情況下K型節點承載力隨主管管壁厚度變化如圖5所示。其中試驗構件的規格參見文獻[8]，實際K型節點的承載力為通過有限元K型節點模型計算所得。

主管管壁厚度為6 mm的構件在不同單臂長度下的節點局部承載力如表1所示。

表1 1 極限彎矩結果比較Tab.Tab.1 1 Comparison of ultimate moments

由表1可知：K型節點承載力隨臂長增加而增加，不同臂長的承載力之間差值最大為13%，大部分小于10%；試驗構件的不同臂長的承載力之間差值均小于10%；不同單臂長度的K型節點承載力與實際K型節點相比均偏小，最大小20%左右。在無加強環板情況下，試驗結果較實際K型節點偏小10%左右，可認為剪力對無加強環板的局部承載力影響不大。

3.2 不同單臂長度對環形加強板承載力的影響

取管徑D=219 mm，B=657 mm，節點板厚度t=16 mm。Py是局部變形屈服耐力，其含義和文獻[7]一致。為了定量分析不同單臂長度對承載力的影響，本文設計了不同管壁厚度和環板厚度的構件進行分析和比較。

3.2.1 1/4加強板極限承載力

1/4加強板K型鋼管節點在不同單臂長度、環板厚度和不同主管管壁厚度下的局部承載力變化曲線如圖6所示，主管管壁厚度為6 mm的節點局部極限承載力計算結果如表2所示。

由圖6和表2可知：對1/4加強板的節點，單臂長度的變化對節點局部承載力有較大影響；單臂長度為650 mm的承載力較單臂長度為109.5 mm的承載力高，前者比后者承載力最高可提高37.5%，這主要是由于在軸力相同的情況下剪力對其局部承載力的影響造成的；與實際K型的承載力相比，試驗結果大部分偏小。

表2 2 1 1//4 4加強板極限承載力計算結果Tab.Tab.2 2 The computed ultimate bearing capacities of 1

3.2.2 1/2加強板極限承載力

1/2加強板K型鋼管節點在不同單臂長度、環板厚度和不同主管管壁厚度下的局部承載力變化曲線如圖7所示，主管管壁厚度為6 mm的節點局部極限承載力計算結果如表3所示。

通過分析1/2環形加強板不同單臂長度的承載力比值，可以看出單臂長度為650 mm的承載力較單臂長度為109.5 mm的承載力高，前者比后者承載力最高可提高50%，剪力對1/2環板的局部承載力影響較1/4環板大。與實際K型節點相比，1/2環形加強板鋼管節點的局部承載力隨著環板厚度的增大試驗結果逐漸偏大，但是單臂長度為109.5 mm的承載力始終比實際K型節點偏小15%左右。1/2環板和1/4環板《送電用鋼管鐵塔制作基準》計算所得承載力均比試驗和有限元計算結果低，且比實際的K型節點承載力低20%，因此《送電用鋼管鐵塔制作基準》相對試驗結果偏于保守。

表3 3 1 1//2 2加強板極限承載力計算結果Tab.Tab.3 3 The computed ultimate bearing capacities of 1

3.2.3 全圓環單側加強板極限承載力

全圓環K型鋼管節點在不同單臂長度、環板厚度和不同主管管壁厚度下的局部承載力變化曲線如圖8所示，主管管壁厚度為6 mm的節點局部極限承載力計算結果如表4所示。

表4 全圓環加強板極限承載力結果比較Fig.4 The computed bearing capacity of annular stiffening rib joints

通過圖8和表4分析得出單臂長度為650 mm的承載力較單臂長度為109.5 mm的承載力最高可提高73.7%，剪力對全圓環局部承載力的影響相對1/4（1/2）環板大。與實際K型節點相比，試驗結果偏大，主要是由于實際K型節點在環板的寬度和厚度增大的情況下，節點區域不易屈服，反而節點附近的主管較易屈服，此時節點的極限承載力由鋼管自身的承載力確定。

4 結論

本文通過有限元和部分試驗分析了單臂長度為650、400、109.5 mm對無加強環板、1/4環形加強板、1/2環形加強板、環形加強板（單側）承載力的影響情況，在軸力相同的情況下單臂長度為650 mm的承載力較單臂長度為109.5 mm的承載力高?？梢钥闯觯簡伪坶L度對無加強環板承載力的影響較小，承載力最大差值13%，其余均在10%以內；對1/4環形加強板承載力最大差值為35%，其余均在20%～30%以內；對1/2環形加強板承載力最大差值為50%，其余均在20%～35%以內；對環形加強板承載力最大相差75%，其余均在20%～40%以內。這主要是剪力對局部屈曲的影響造成的，在軸力相同的情況下，剪力越大，其承載力就越低，影響越明顯。對于無加強環板鋼管節點由于其極限承載力很小，相應的剪力小，因此剪力對鋼管的局部屈曲影響?。画h形加強板（單側）極限承載力大，其剪力大導致鋼管軸向荷載加大，剪力越大主管越容易屈服，加強環板易發生彎曲，對鋼管的局部屈曲影響大，節點極限承載力明顯降低。

實際工程中，支管與主管的夾角越小則剪力越大，對鋼管節點的承載力影響越大，反之則支管的力較大，支管先于主管發生破壞。因此支管與主管間存在最優的角度范圍，使得主管與主管同時發生破壞。目前常用的角度為45°～60°，其確切值有待進一步研究確定。

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