特高壓輸電塔KK型節點受力性能有限元分析

陳怡宏，黃海斌，張意，雷運波，王平，顏婷莎

（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015；2后勤工程學院軍事建筑工程系，重慶 400042）

0 引言

目前，對于特高壓輸電塔格構式K型腹桿系結構受力性能的研究尚未成熟，所以在特高壓輸電塔結構的設計中一般仍將實際中的半剛性連接節點當作鉸接或剛接來考慮，從設計上來說不合理且可能有安全隱患。因此，本文對輸電塔結構中常用K型節點的受力性能進行分析，顯得十分有意義。李茂華[1]進行了我國第一基SZT2特高壓雙回路鋼管塔真型試驗，實測結果顯示部分主材構件的實測應力大于計算應力，試驗分析結果表明，塔身主材最大次應力已達到軸力應力的30%。楊靖波[2]以1000kV淮南-上海（皖電東送）輸變電工程特高壓同塔雙回路鋼管塔為分析對象，分別采用桿單元、梁桿混合單元和梁單元建模計算，計算分析表明現行的鐵塔設計通用程序的桿單元計算模型不能反映主材桿端彎矩的影響，計算應力偏小，建議采用梁桿混合單元模型進行設計。帥群[3]對1000kV特高壓輸電鋼管塔SZ2U進行真型試驗，研究表明，對特高壓輸電塔結構而言，K型節點處主材的次應力效應顯著，應當建立考慮節點板剛度的梁桿單元有限元模型進行分析。針對以上研究情況，考慮節點對桿件的受拉性能影響顯得尤為重要。因此開展節點的受力性能研究十分必要。本文針對特高壓輸電塔中無偏心無環形加強板KK型節點進行有限元分析，得到KK型節點承載力的主要影響因素及相應的影響程度。

1 有限元建模參數選擇

為準確模擬節點受力性能，采用實體單元模擬角鋼（鋼管）、節點板和螺栓，引入接觸單元來模擬角鋼（鋼管）、節點板和螺栓之間的接觸。為簡化起見，斜材僅考慮軸力作用，斜材軸力線的交點和螺栓群形心之間不存在偏心。材料的本構關系如圖1所示。角鋼-節點板連接半剛性節點中4個部分可能存在接觸關系：節點板和各角鋼接觸，螺帽和節點板接觸，螺帽和各角鋼接觸，螺桿和各角鋼孔壁以及節點板孔壁接觸。KK型節點的上部兩支管受軸向壓力作用，下部兩支管受軸向拉力作用，此種情況為節點的最不利受力模式，對于各支管上所施加的軸向作用力的大小均相等。此外，為了消除端部加載條件對節點區域的影響，主管長度取8倍的管直徑，支管長度取3倍的管直徑。接觸面分為接觸面和目標面，其中接觸面選用CONTA174單元，目標面選用TARGE170單元。考慮到實際工程的要求和節點的受力狀態，采用殼單元建立ANSYS有限元模型見圖2。計算簡圖如圖3所示。

圖1 本構關系

圖2 KK型節點有限元模型圖

圖3 KK型節點計算模型

2 參數分析

影響節點極限承載力的主要幾何參數有：主管直徑D、主管管壁厚度t、節點板高度B、兩塊節點板之間的夾角β等。通過大量參數分析來研究KK型節點受各參數的影響程度。對于實際輸電鋼管塔結構中的空間KK型管板連接節點，夾角β的常用角度在90°≤β≤180°之間。通過有限元分析，發現此夾角角度范圍內的各節點的極限承載力雖然有所差異，但基本相差不大。所以，在建立鋼管塔KK型管板連接節點的極限承載力計算公式時，不考慮將夾角β作為一個獨立的變量因子引入到建議計算公式中，均以最常用的夾角β=90°的節點有限元模型的計算結果作為基準。

（1）夾角β對節點極限承載力的影響

本節選取D=273mm的空間KK型節點，討論不同的D/t和B/D情況下，節點的極限承載力隨夾角β的變化規律，計算結果如圖4所示。

圖4 夾角β對KK型節點極限承載力的影響

從圖中可以看出，在空間KK型節點的夾角β從30°增加180°的過程中，節點的極限承載力呈現先增大后減小，再基本保持不變的發展趨勢。夾角β=30°時，節點的極限承載力最小；夾角β=60°時，節點的極限承載力最大；夾角β在90°≤β≤180°之間時，節點的極限承載力基本不變或稍有減小。

（2）主管徑厚比D/t對節點極限承載力的影響

本節選取D=219mm、273mm、325mm的空間KK型節點，討論節點的極限承載力隨D/t的變化規律，計算結果如圖5所示。

圖5 主管徑厚比D/t對節點極限承載力的影響

從圖中可以看出，D/t對節點承載力的影響是十分明顯的，隨著D/t的減小，節點的極限承載力幾乎呈指數形式增加。

（3）節點板高度與主管直徑之比B/D對節點極限承載力的影響

本節選取D=273mm的空間KK型管板節點，討論節點的極限承載力隨B/D的變化規律，計算結果如圖6所示。

圖6 B/D對節點極限承載力的影響

從圖6中可以看出，節點的極限承載力隨著B/D的增大呈線性增加，但B/D的增加對節點承載力的提高作用十分有限。在實際輸電鋼管塔結構中，管板連接節點上節點板的高度一般是由構造確定的，所以在工程設計中對節點板高度的取值應設定在一個合適范圍內，能夠滿足各支管的連接需求即可。

（4）主管的軸向應力比η對節點極限承載力的影響

首先選取D=273mm、t=8mm、B/D=2.6的節點，討論平面K型節點和夾角β=90°的空間KK型節點，分別在主管承受軸向拉力或軸向壓力作用時，節點極限承載力的影響變化情況，所得計算結果如圖7所示。

圖7 η對K型節點和KK型節點極限承載力的影響

從圖7中可以看出，當主管受壓時，隨著主管壓應力比的增大，KK型節點的承載力出現了顯著地降低；當主管受拉時，隨著主管拉應力比的增大，節點的極限承載力僅有微小幅度提高，約在2%～4%左右，當拉力過大時，節點極限承載力又會出現小幅下降。總體而言，主管受拉對節點承載力的影響較小，可忽略主管受拉對節點承載力的影響。下面討論不同D、t、B/D主管時，η對節點承載力的影響。

從圖8中可以看出，隨著η的增大，節點的承載力均出現了較明顯的下降，所以在工程設計中必須考慮主管軸向壓力對節點極限承載力的不利影響。

圖8 η對KK型節點極限承載力的影響

3 結論

根據對無偏心無環板KK型節點進行有限元分析，得到如下結論。

（1）夾角β在90°≤β≤180°之間時，節點的極限承載力基本不變或稍有減小。

（2）D/t對節點承載力的影響是十分明顯的，隨著D/t的減小，節點的極限承載力幾乎呈指數形式增加。

（3）節點的極限承載力隨著B/D的增大呈線性增加，但B/D的增加對節點承載力的提高作用十分有限。在實際輸電鋼管塔結構中，管板連接節點上節點板的高度一般是由構造確定的，所以在工程設計中對節點板高度的取值應設定在一個合適范圍內，能夠滿足各支管的連接需求即可。

（4）隨著主管的軸向應力比η的增大，節點的承載力均出現了較明顯的下降，所以在工程設計中必須考慮主管軸向壓力對節點極限承載力的不利影響。

[1]李茂華，董建堯，楊靖波，等.特高壓雙回路鋼管塔真型試驗[J].中國電機工程學報，2009（34）:102-107.

[2]楊靖波，韓軍科，李茂華，等.特高壓輸電線路鋼管塔計算模型的選擇[J].電網技術，2010（1）:1-5.

[3]帥群，鄧洪洲，李琳，等.特高壓輸電鋼管塔主材次應力分析[J].建筑結構學報，2012（33）:109-116.