輸電鋼管塔空間KK型管板連接節點極限承載力

劉堃　李正良　尤軍　涂胤

摘要：空間KK型管板連接節點作為輸電鋼管塔中最主要的節點型式，其安全性是整個塔架結構安全的重要保證。相比較于平面K型節點，在考慮實際結構中節點空間效應后的KK型節點的受力性能更為復雜。在平面K型管板節點的試驗研究基礎上，對兩類空間KK型管板節點展開參數化分析，重點討論了節點幾何尺寸參數和主管軸壓應力比等因素對節點極限承載力的影響變化規律。結合大量有限元參數分析所得計算結果，并綜合考慮各種因素對節點極限承載力的影響，提出了空間KK型管板連接節點在主管管壁局部屈曲破壞模式下的極限承載力建議計算方法。

關鍵詞：輸電鋼管塔；空間KK型；管板連接節點；極限承載力

中圖分類號：TU392.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0072-11

近年來，中國的電網建設快速發展，輸電線路的輸送容量和電壓等級不斷提高，桿塔承受的荷載也越來越大，傳統的角鋼塔已不能滿足發展的需要。鋼管塔因具有風壓小、剛度大、結構簡潔、傳力清晰等眾多優點，在大跨越工程和特高壓輸電線路中得到廣泛應用。輸電鋼管塔屬于高聳的空間桁架結構，各鋼管構件是由節點相互連接在一起的，桿件的傳力完全通過節點來實現。因此，節點設計及其構造處理的好壞將直接影響到鋼管塔整體受力性能。節點破壞后會帶來一系列連鎖效應，導致從局部到整體的連續破壞，因此，安全可靠性對整個塔架而言至關重要。

目前，在輸電鋼管塔節點的構造連接方面普遍采用管板連接方式，但對此類節點受力性能的研究還很少，缺乏相應的設計理論用于指導工程實踐。更為重要的是，以往所進行的研究主要是針對平面K型管板節點，對于空間KK型節點的研究非常少。因實際輸電鋼管塔結構中的該類管板節點不是平面K型，而是空間KK型的，在考慮實際節點的空間效應（包括：幾何空間效應和荷載空間效應）后，其受力情況和破壞模式更為復雜。通常情況下空間KK型管板節點呈現以下3種破壞模態：1）主管管壁鋼材受力下局部超出彈性階段產生塑性變形而破壞；2）節點板過早破壞導致節點喪失承載力的局部失效破壞；3）上述兩種情況并存下的破壞模式。但截止到目前為止，相關規范還沒有專門方法來計算這類節點的承載力。本文依托實際工程，研究在第一類破壞模式下輸電塔空間KK型節點的極限承載力。

1.K型管板連接節點承載力試驗研究

1.1試驗樣本

以現工程常見的K型管板節點承載力試驗為基礎展開后續討論，試驗如圖1所示。主管和支管的尺寸分別為φ219×6和φ133×6，K型節點中承壓支管和受拉支管與主管夾角分別為45°和50°，主管長2m，其中：在節點板與主管相交的上下端部位置設置了1/4環形加強板。各節點試件所用材料均為Q345鋼，具體尺寸參數如表1所示。

1.2試驗裝置和加載方案

試驗裝置如圖1所示，應變片布置如圖2所示。主管底部與三角形鋼支座鉸接，主管上部及各支管的端部用千斤頂連接。

加載采用分級加載，每級加載后停頓1min，再繼續加載。具體加載方式為：與主管上端連接的2#千斤頂施加軸壓力，與上支管端部連接的3#千斤頂施加軸壓力，與下支管端部連接的1#千斤頂施加軸拉力，主管與支管同步加載，當主管軸壓力達到0.2P_v，y時，停止對主管加載，此時支管仍繼續加載，直至發生破壞。

1.3試驗結果

通過試驗觀察到，各節點試件在達到其極限承載力的時候，其破壞模式主要表現為：在主管與節點板以及上、下環板相交處的局部區域發生了屈服，具體的破壞現象如圖3所示。其荷載一應變曲線與荷載一位移曲線如圖4所示。

應變的變化隨荷載逐漸增大呈現先直線后曲線的趨勢，非線性變化是判斷屈服的標準。當荷載繼續增加，節點的塑性區進一步擴展，最終在主管與環板附近的塑性區域形成貫通，節點達到極限承載力狀態。隨著主管與支管上所施加荷載的不斷增加，下端環板附近的主管區域首先進入屈服階段。荷載繼續增大，此區域發生塑性變形后內力重新分布，且擴大影響范圍至節點局部明顯變形而破壞。在整個加載過程中，環板、節點板、支管和插板等均未達到其極限承載力，沒有發生破壞。

從節點試件的破壞變形圖中可以看出，節點試件的主管均在其管壁上的1號關鍵點處出現了局部凹陷，在2號關鍵點處出現了局部凸起，且2號點處的變形量較1號點處明顯。但由于環板的加強作用，這兩點處的變形量均較小；當節點達到極限承載力時，在受拉支管一側的主管管壁與環板的相交處甚至出現了拉裂現象。

2.管板連接節點有限元分析模型驗證

采用ANSYS中的SHELLl81單元建立節點有限元模型，模型的材料屬性、邊界條件和加載方式等均與試驗相同。

選取主管上關鍵點處的試驗結果與有限元計算分析結果的荷載一位移曲線進行比較，對比結果如圖5所示。總體而言，本文所建立的有限元模型能夠較好地模擬該類節點的整個受力過程。

3.空間KK型管板節點極限承載力參數分析

對于空間KK型管板節點，其幾何參數如圖6所示，按有無偏心分別對以下兩類節點的極限承載力展開有限元參數分析：無偏心全環板節點和負偏心全環板節點。節點極限承載力主要受主管直徑D和管壁厚度t、節點板高度B和環板高度R、環板厚度t_r，和節點板之問的夾角β，支管偏心大小e/D等影響。主管與環板為Q345鋼，屈服強度，f_y=345MPa，彈性模量E_s=2.06×10⁵N/mm²，泊松比u=0.3。ANSYS中采用Von-Mises屈服準則定義材料彈塑性的發展，基于等向強化理論的流動法則定義單元剛度。

3.1無偏心全環板KK型節點

針對帶全環板的空間KK型管板節點的極限承載力展開研究分析，節點有限元模型網格劃分如圖7所示。

對于無偏心全環板空問KK型管板連接節點各影響參數的取值如表2所示，并根據這些計算參數，設計了多組節點，進行有限元參數分析。

3.1.1夾角β對節點極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，節點板高度B=709.8mm（其他尺寸根據表2進行無量綱化組合）的全環板空問KK型管板節點，討論夾角β對承載力的影響，結果如圖8所示。

從圖中可以看出，當環板高度較小，R=40mm時，夾角β的變化對節點承載力的影響較明顯，這時節點的破壞主要是由環板的局部屈服控制或主管與環板聯合控制。當環板高度增加，R=60mm時，夾角β的變化對節點承載力的影響開始表現得不再明顯，此時除β=30。時的節點承載力稍小外，口在60°～180du3之間變化時，節點的承載力基本保持不變。當環板高度較高，R=80mm時，與R=60mm的情況基本相同，節點的破壞由主管控制，不同夾角β情況下各節點的極限承載力基本相同。

3.1.2主管徑厚比D/t對節點極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，節點板高度B=709.8mm，環板高度R=60mm，主管管壁厚度t=6mm，環板厚度t_r=6mm的全環板空間KK型管板節點，討論D/t對承載力的影響，計算結果如圖9所示。

結果表明，節點極限承載力P_n值與D/t呈現指數規律的逆相關，隨D/t的增大而減小。

3.1.3節點板高度與主管直徑比B/D對極限承載力的影響主管直徑D=273mm，主管管壁厚度t=6mm，環板厚度t_r=6mm的全環板空問KK型管板節點，分別討論在不同的R和夾角β情況下，節點的極限承載力隨節點板高度與主管直徑之比B/D的變化規律，計算結果如圖11所示。

從圖10可以看出，對于全環板KK型節點，節點板高度的增加對節點承載力的提高作用很小，這是因為在增加全環板后，節點的承載力不再由節點板與主管相交處主管管壁局部塑性變形控制，而由節點板、下端全環板在主管管壁上相交區域的塑性變形控制，與節點板高度關系不大，過高的節點板不能得到有效利用，因此，工程設計中節點板高度按構造取值即可。

3.1.4節點主管直徑與環板高度比D/r對極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，管壁厚度t=8mm，環板厚度t_r=mm的全環板空問KK型管板節點，討論節點的極限承載力隨D/R的變化規律，計算結果如圖11所示。

從圖中可以看出，環板高度的增加對節點承載力的提高作用存在一個有效范圍，當R從40mm增加到60mm時，對節點承載力的提高作用較為明顯，而當R從60mm增加到80mm時，節點承載力增幅很小。這是因為R較小時，節點的破壞模式由環板控制，節點達到極限承載力時，環板先于主管發生破壞；而R較大時，節點的破壞模式由主管控制。在工程設計中，對于全環板高度的取值應根據主管直徑D和壁厚t來確定，同時考慮節點設計的相關構造要求，將R控制在一個有效合理的范圍內。

3.1.5主管管壁厚度與環板厚度之比t/t_r，對節點極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，節點板高度B=709.8mm，主管管壁厚度t=6mm的全環板KK型節點，討論在不同的R和夾角β情況下節點的極限承載力隨t/t_r，的變化規律，計算結果如圖12所示。從圖中可以看出，t/t_r，對節點承載力的影響與環板高度R取值有較大關系。當環板高度較小，R=40mm時，節點承載力由環板控制，t/t_r，的變化對節點的承載力存在較大影響，節點的承載力與t/t_r變化規律呈現逆相關。隨著環板高度的增加，當R=60或80mm時，節點的破壞模式轉變為由主管控制，此時環板厚度的增加對節點極限承載力的提高作用很小。

3.1.6主管的軸向應力比η對節點極限承載力的影響選取D=273mm、t=8 mm、B=710mm、R=60mm、t_r=8mm的管板節點，討論平面K型節點和空問KK型節點（β=90°）分別在主管受軸拉或軸壓作用時，節點承載力的變化情況，計算結果如圖13所示。

從圖13可以看出，主管受壓時，η絕對值越大，K型節點和KK型節點承載力越小。主管受拉時，隨著η的增大，節點的承載力有一定程度提高，但拉力過大時，節點的承載力出現下降。主管軸向拉應力比η從0增加到0.9，K型節點的極限承載力的最大增幅僅為2.72%，基本可忽略不計。但KK型節點的極限承載力則有明顯增加，增幅達到38.1%，這是因為空間KK型節點在增加全環板后，節點的主管、節點板和全環板共同形成了一個緊密的空間受力整體，在主管受軸向拉力時，不僅有主管參與，而且節點板和全環板也參與了受力，所以，全環板空問KK型節點在主管受軸拉作用時，節點承載力的提高較明顯。下面著重討論在不同的D/t、B/D、t/t_r、R和夾角β情況下主管受壓時，其軸壓應力比叩對節點極限承載力的影響，計算結果如圖14所示。

從圖14可以看出，在各種不同情況下，當主管軸壓應力比η從0增加到0.9的過程中，全環板KK型節點的承載力均出現了明顯下降，在輸電塔設計中必須考慮主管軸向壓力對承載力的影響。

3.2負偏心全環板KK型節點

前面對無偏心全環板KK型節點的承載力進行了研究。相較于這類節點，負偏心全環板KK型節點的受力性能更為復雜，其極限承載力與無偏心全環板KK型節點存在較大差別。本節將針對負偏心全環板KK型節點的承載力展開討論。對于負偏心全環板空問KK型管板連接節點各幾何參數的取值如下表3所示，并根據這些計算參數，設計了多組節點，進行有限元參數分析。

3.2.1平面K型節點與空間KK型節點極限承載力對比選取主管直徑D=273mm，節點板高度B=709.8mm，主管管壁厚度t=6mm，環板厚度t_r=6mm的管板節點，討論負偏心全環板空間KK型節點（β=90。）與負偏心全環板平面K型節點極限承載力的差異，計算結果如圖15所示。

從圖15可以看出，對于負偏心情況下帶全環板的K型節點與KK型節點之問的承載力存在較大差異。平面K型節點的承載力隨e/D的增加，先增大后逐漸降低；而負偏心全環板KK型節點的承載力，在e=0增加到e=D/2的整個過程中，節點的極限承載力一直呈下降趨勢。由此可見，對于帶全環板的空間KK型管板節點，支管的負偏心連接并不一定是有利的。

3.2.2支管偏心大小e/D對節點的極限承載力的影響本節研究不同D/t/R夾角β下，支管的偏心大小e/D對全環板空間KK型節點的極限承載力的影響，其中Dv為273mm，計算結果如圖16所示。

從圖16可以看出，隨著e/D的增大，各節點承載力的變化趨勢基本一致。當環板高度較小，R=40mm時，在偏心距由0增加到-1/8D的過程中，節點的承載力存在一個小幅上升，e繼續增加，節點的承載力又開始出現下降或基本保持不變。當環板高度較大，R=60、80mm時，在e=0增加到e=-1/2D的過程中，節點的承載力一直下降。

4.KK型管板連接節點極限承載力計算方法

4.1 KK型管板節點等效受力模型

輸電塔KK型管板節點受力模型如圖17所示。各支管軸力拉壓力成對出現且大小相近，近似認為P₁=P₂=P₃=P₄。此外，各支管軸線與主管軸線的夾角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄一般也較為接近。

從式（4）中可看出，當節點采用負偏心連接時，主管管壁所受到的彎矩作用變小，在其他條件不變的情況下，負偏心節點的承載力將得到提高。但若負偏心距較大，如圖18所示，e=-D/2時，M=0，此時各支管軸力通過節點板的傳遞所引起的主管管壁上的豎向剪力Q將對節點的極限承載力起控制作用，由于主管管壁所受剪力過大，造成節點過早出現局部屈曲破壞，節點承載力下降。

圖20給出了AIJ、CIDECT、CISC、JSSC和Kim的K型節點承載力計算公式值。該計算方法考慮了主管軸力、支管軸力和負偏心距的相互影響。通過式（5）可以得到節點主管無軸力作用時的等效橫向荷載Pr，再通過式（2）得到主管管壁彎矩。將結果代入式（1），便得到支管軸力。式（6）中P_v，y=f_y·A。P_e可以通過式（5）求出。這樣式（6）為P。和P_e，v的關系式。只要確定了兩者中一個參數，另一個參數值就求出來了。

5.結論

對兩類空問KK型管板節點進行了研究，通過有限元參數分析探討了幾何無量綱參數、主管應力水平等對節點極限承載力的影響變化規律：

1）對于無偏心全環板KK型節點，全環板使得主管徑向剛度得到增強，節點承載力顯著提高。相比無環板節點，全環板KK型節點與對應K型節點承載力的降幅進一步增大。β變化對節點承載力影響很小；當D/t減小時節點承載力大幅提升；B/D增加對節點承載力提高作用很小；R較小時，R增加對節點承載力有明顯提高，但超過一定值后，R繼續增加帶來的提高作用很小；t_r增加僅在R較小時對節點承載力有明顯提升；主管受壓時，隨著η增大，節點承載力直線下降。

2）對于負偏心全環板KK型節點，采用負偏心連接基本不能提高節點承載力，相反會產生不利作用，在該類節點的設計中不建議使用負偏心的連接方式。

3）結合大量有限元參數分析，針對無偏心全環板KK型節點，提出了基于主管控制的節點承載力計算公式；針對負偏心全環板KK型節點，在節點發生局部屈曲破壞模式下，提出了考慮負偏心作用的節點承載力計算公式。通過建議計算方法可以估算第一類破壞模式下節點極限承載力，用于指導實際工程設計。