四管組合柱鋼管塔變坡節點設計與有限元分析

蔡 欽

（同濟大學建筑工程系，上海 200092）

四管組合柱鋼管塔變坡節點設計與有限元分析

蔡 欽

（同濟大學建筑工程系，上海 200092）

針對某四管組合柱鋼管塔，提出了一種新的變坡節點形式。利用有限元軟件ANSYS，對該節點進行建模及有限元分析。研究在設計荷載和極限荷載作用下變坡節點的應力分布狀態、塑性發展規律、節點破壞模式及極限承載力情況，以期準確把握該類組合柱鋼管塔變坡節點的力學行為，為工程設計和后續的研究工作提供相關的比較數據。研究表明，變坡節點在設計荷載下處于彈性狀態，其最終破壞模式是下主管管壁的壓曲破壞。通過研究還發現，大板上側和下側肋板受力不均勻，與主管直接搭接的肋板受力較大。只要設計參數取值合理，這種新型變坡節點形式是安全可靠的。

鋼管塔；四管組合柱；變坡節點；有限元分析；承載力

相對于角鋼塔而言，輸電鋼管塔因其剛度大、重量小等優點，在我國電力行業中得到了廣泛的應用［1-2］。在快速發展過程中，鋼管塔設計也遇到了一些問題。由于輸送電壓以及相關規定的限制，某大跨越輸電塔的高度達到了455 m，輸電塔承擔的塔身荷載、線條荷載以及風荷載非常大。如果繼續采用傳統的單鋼管輸電塔設計方案，塔腿主材必須使用超大直徑的鋼管。這對目前的施工技術條件而言是難以解決的問題。

相對于單管鋼管塔，多管組合柱鋼管塔的設計更加復雜。作為輸電塔設計中的重要組成部分，多管組合柱鋼管塔的節點設計非常具有挑戰性，尤其是變坡節點。對于傳統的單管鋼管塔，變坡節點處的桿件較少，構造簡單，受力明確。但對于多管組合柱鋼管塔，其變坡節點通常是從多管組合柱向單管柱過渡，有多根桿件相連，且上下主管軸線不共線，受力特點和構造均十分復雜。因此，需要對多管組合柱鋼管塔的變坡節點進行深入的研究。

對于單管鋼管塔，變坡節點通常有主管對接焊式、主管板連接式、主管法蘭螺栓連接及焊接空心球節點等4種處理方案［3］，各桿件的軸線交點通常都是上下主管的交點。但對于多管鋼管塔而言，上述4種處理方案只有2種可行，分別是主管板連接式和焊接空心球節點。如果采用空心球節點，空心球的直徑將會很大。目前對于大直徑空心球的研究很少，對其受力性能了解不多，且加工難度較大［4］。主管板連接式變坡節點，是通過一塊鋼板將上下主管焊接連接，在鋼管與鋼板連接處布置加勁肋，防止鋼板和鋼管發生局部屈曲。顯然主管板連接式是較理想的處理方案。

本文將以某四管組合柱鋼管塔為例，提出一種新的變坡節點形式。將對這種新的節點形式進行有限元分析，研究該節點在設計荷載和極限荷載作用下的應力分布、破壞及發展模式，并分析下主管間距對節點承載力的影響，為工程設計提供依據。

1 分析模型描述

某四管組合柱鋼管塔高455 m，設計風速為40 m/s，主材鋼管材料為Q420，輔助材鋼管材料為Q345。上部主管規格為1 726 mm×38 mm，下部主管規格為965 mm×24 mm，下主管中心間距1 600 mm。塔頭單線圖如圖1所示，下主材截面如圖2所示，變坡處橫隔截面圖如圖3所示。

圖1 塔頭圖

圖2 組合柱截面圖

圖3 橫隔截面圖

該塔塔身變坡段上下主材內力均由45°大風控制，通過整塔分析得到各桿件在控制工況下的內力作為設計荷載，并進行簡化，見表1。

表1 各桿件設計荷載

2 節點設計

借鑒單管鋼管塔的變坡節點設計方法，上下主管通過一塊方形鋼板連接起來，在鋼板上下設置加勁肋。支管通過節點板與上主管連接，各橫隔管通過節點板與相應的下主管連接。節點平面圖如圖4所示。

圖4 節點平面示意圖

大板上下的加勁肋是節點的重要組成部分，其主要作用是防止大板屈曲破壞。肋板應均勻布置，以保證大板受力均勻。本例中，大板上側肋板沿上主管周圍均勻布置8塊肋板，具體布置見圖5；大板下側肋板沿各下主管周圍布置8塊肋板，具體布置見圖6。

圖5 大板上側肋板布置圖

圖6 大板下側肋板布置圖

3 節點驗算

3.1 變坡處主管局部屈曲驗算

GB 50017—2003《鋼結構設計規范》5.4.5條規定了鋼管受壓構件的徑厚比限值［5］。本例中鋼管徑厚比限值為

式中：fy為材料的屈服強度。

上主管徑厚比為45，下主管徑厚比為40，均小于徑厚比限值，滿足要求。

3.2 主管與大板焊縫驗算

本例中，上主管的壁厚為38 mm，如果采用角焊縫，會造成焊腳尺寸過大。焊縫收縮時會產生較大的焊接殘余應力和殘余變形，熱影響區擴大易產生脆裂。推薦采用對接焊連接上主管和大板，采用一級對接焊縫保證變坡節點的安全。

焊縫的極限承載力可近似取為：

本例中焊縫的極限承載力為54 603 kN，大于最大壓力49 800 kN，滿足要求。

4 節點有限元分析

4.1 有限元模型

本文采用ANSYS有限元軟件進行精細建模，采用shell181單元，該殼單元可以支持線性分析、材料塑性、應力剛化、大應變和大變形分析，適合分析薄板、中厚板殼結構等多種結構［6］。材料本構關系為理想彈塑性，主材屈服強度取420 MPa，輔助材屈服強度取345 MPa。彈性模量為2.06×105MPa，泊松比υ＝0.3，采用Von Mises屈服準則及雙線性隨動強化模型。

由于四管組合柱鋼管塔變坡節點非常復雜，有限元建模時進行如下簡化：簡化橫隔管的插板連接；建模時忽略焊縫。有限元模型見圖7。

圖7 數值分析節點模型

4.2 有限元分析

a.上主管

通過有限元分析，上主管內側應力遠大于外側應力，上主管內側應力云圖發展情況如圖8所示。圖8列出了上主管在設計荷載、1.2倍設計荷載和1.4倍設計荷載下的等效應力云圖。在設計荷載下，上主管應力發展水平較低，應力低于 380 MPa；在1.2倍設計荷載下，上主管應力進一步發展；在1.4倍設計荷載下，上主管內側環板下方進入屈服狀態。圖8還表明環板對上主管局部區域的加強作用非常明顯。

圖8 上主管等效應力云圖

b. 下主管

通過有限元分析，下主管內側的應力遠大于外側的應力水平，下主管內側應力云圖發展情況如圖9所示。圖9列出了下主管在設計荷載、1.2倍設計荷載和1.4倍設計荷載下的等效應力云圖。在設計荷載下，下主管處于彈性狀態；在1.2倍設計荷載下，4號下主管開始進入屈服狀態；在1.4倍設計荷載下，4根下主管下側區域均進入屈服狀態。有限元分析表明：在軸向荷載作用下，4號下主管應力發展最快，其次是1號和3號下主管，2號下主管應力發展最慢；下主管下側區域應力較大，上側應力較小，節點承載力由下主管控制。

圖9 下主管等效應力云圖

c.大板

大板作為連接上下主管的重要構件，直接決定了節點的安全可靠性能。通過有限元分析，得到了大板的等效應力云圖如圖10所示。有限元分析表明，在1.4倍設計荷載下，大板一直處于彈性狀態，大板是安全的。

圖10 大板等效應力云圖

d.大板上側肋板

大板上側肋板布置在上主管周圍，主要作用是加強上主管和大板，防止上主管和大板局部屈曲。通過有限元分析，得到了大板上側肋板的等效應力云圖如圖11所示。有限元分析表明，大板上側肋板一直處于彈性狀態，下主管正上方的肋板受力較大，肋板受力不均勻。

e. 大板下側肋板

圖11 大板上側肋板等效應力云圖

大板下側肋板布置在下主管周圍，主要作用是加強下主管和大板，防止下主管和大板局部屈曲。通過有限元分析，得到了大板下側肋板的等效應力云圖如圖12所示。有限元分析表明：在設計荷載下，大板下側肋板處于彈性狀態；在1.4倍設計荷載下，上主管正下方的弧形肋板局部區域進入屈服狀態，其余肋板均處于彈性狀態；肋板受力不均勻。

圖12 大板下側肋板等效應力云圖

4.3 節點極限承載力及破壞模式

a. 節點極限承載力確定方法

GB 50017—2003《鋼結構設計規范》中允許構件截面出現一定程度的塑性發展深度，并通過一個塑性發展系數γ來簡化處理［5］。5.21條給出了常用截面的塑性發展系數取值。對于圓管截面，γ取值為1.15，即圓管截面的塑性發展深度不宜超出0.15倍的截面高度。通過計算可知，當屈服面擴大到截面圓周的1/4時，截面的塑性深度達到規范中規定的限值［7］。

b.節點極限承載力及破壞模式

根據有限元分析可知，在設計荷載下，變坡節點處于彈性狀態；在1.2倍設計荷載下，4號下主管屈服面達到了圓周的1/4，變坡節點達到極限承載力。變坡節點在設計荷載和1.2倍設計荷載下的等效應力云圖如圖13所示。

該變坡節點在軸向荷載作用下，極限承載力為1.2倍設計荷載，破壞模式為下主管受壓屈曲破壞。

圖13 節點等效應力云圖

5 結論

a. 針對四管組合柱鋼管塔變坡節點，本文提出了一種新型的節點形式。有限元分析結果表明，只要參數取值合理，該變坡節點就安全可靠。

b. 在軸向荷載作用下，該變坡節點破壞模式是下主管屈曲破壞，說明節點區安全可靠。

c.該變坡節點大板上下側肋板受力不均勻，與主管搭接的肋板受力較大，在工程設計中應著重考慮。

d.本文只是針對一個四管組合柱鋼管塔變坡節點進行了數值模擬，其他情況還需要繼續探討，以期為實際工程設計提供依據。

［1］鄒翠榮，孫 洪，丁 洪.新型輸電鐵塔的試驗研究與理論分析 ［J］.東北電力技術，1997，18（9）：6-10.

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［3］曾 程.大跨越輸電塔結構極限承載力分析 ［D］.上海：同濟大學，2006.

［4］黃 璜，任宗棟，默增祿，等.1 000 kV特高壓鋼管塔塔身變坡節點的優化設計 ［J］.電力建設，2012，33（4）：28-31.

［5］陳 勇，關士杰，郭 勇，等.超1 m直徑加勁焊接空心球節點的抗拉極限承載力研究 ［J］.土木工程學報，2016（2）：1-10.

［6］鋼結構設計規范：GB50017—2003［S］.

［7］朱雯瑞，黃 斌，鄧洪洲，等.500/220 kV多回窄基鋼管塔塔腳節點極限承載力有限元分析 ［J］.電網與清潔能源，2014，30（10）：60-65.

［8］朱雯瑞.輸電鋼管塔塔腳節點極限承載力分析 ［D］.上海：同濟大學，2015.

Design and FEA on Slope Change Joint of Steel Tube Tower with Quad?tube Built?up Column

CAI Qin
（Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

A new type of slop change joint is put forward for the steel tube tower with quad-tube built-up column.In order to investi?gate the force transfer mechanism and bearing capacity，the model of this joint welded with connecting plate is established and the fi?nite element analysis is conducted with the software ANSYS.It is used to study the stress distribution，plastic development，joint fail?ure pattern and ultimate capacity under the influence of the design and ultimate load.The results show that this joint remains in the e?lastic condition under the design load，the ultimate failure form of joint is the bulking of the lower primary tube.This new joint is safe with reasonable design.

steel tube tower；quad?tube built?up column；slope change joint；FEA；bearing capacity

TM753

A

1004-7913（2017）03-0006-05

國家電網公司科技項目（SHJJGC1500297）

蔡 欽（1991），男，碩士，從事跨越塔設計相關研究。

2016-12-19）