輸電鐵塔受拉構件塊剪計算方法研究

車 達，韓大剛，楊 洋，蒲 凡，馬海云

（西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

螺栓連接是輸電線路中常用的結構連接型式，鐵塔桿件通過螺栓相互連接傳力，其連接節點是輸電鐵塔的關鍵部位。近年來我國輸電線路工程增多，螺栓連接處的性能研究得到了廣泛關注［1-2］。在螺栓連接情況下，塊剪破壞是最常見的失效形式之一。國內外學者對加固板、連接梁等主要節點的塊剪進行了大量試驗研究［3-5］，Kulak等人對試驗結果進行了歸納總結［5］。Teh等人試驗了雙排螺栓連接下連接梁塊剪情況，給出擬合公式［6］，并利用有限元仿真出單排螺栓連接下連接梁的塊剪破壞模式，仿真結果與試驗結果相當［7］。

美歐鐵塔結構設計規范中均對塊剪做出相應規定：當被連接的角鋼肢翼上的螺栓圖形中心線超出了角鋼形心線時，須對構件的塊剪進行校驗［8-9］。DL／T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》 增加了塊剪驗算［10］。

規范中對單排螺栓塊剪的破壞模式計算與試驗結果存在一定差異；而雙排螺栓連接作為鐵塔連接常見的情況，在我國規范中并未給出其塊剪的破壞模式和計算公式。

根據輸電線路工程設計特點，結合以往加固板、連接梁等主要節點的塊剪試驗和研究成果，將《鋼結構設計規范》中受拉構件塊剪計算方法應用于輸電鐵塔，并鑒于工程中常使用雙排螺栓，提出雙排螺栓其塊剪破壞模式，并給出了計算公式。

1 單排螺栓連接的塊剪計算

DL／T 5154—2012的塊剪破壞示意如圖1所示。

圖1 受拉構件塊剪示意

塊剪計算公式為

式中：N為可承受最大拉力；fv和f分別為鋼材的抗剪與抗拉強度設計值；Av為抗剪面；At為抗拉面；t為角鋼厚度；a、b、c分別為扣除螺栓孔后的螺栓端距、螺栓間距和螺栓邊距。

該計算方法與加固板和連接梁塊剪試驗現象［5-6］存在一定差異，圖1中II段破壞面在實際情況下與水平方向存在一定夾角，如圖2所示。

圖2 受拉構件塊剪示意

GB 50017—2003《鋼結構設計規范》規定連接節點處板件的強度計算公式根據角鋼桿件桁架節點板的試驗研究擬合而來［3］。具體計算公式為

鋼規的塊剪計算公式為

可 見 ，DL／T 5154—2012 和 GB 50017—2013的塊剪計算公式差異為抗拉折減系數B。

1.1 不考慮螺栓孔的影響

當不考慮螺栓孔的情況下，即圖2中d為0時，折減系數B為

1.2 考慮螺栓孔的影響

實際的輸電鐵塔設計時，須考慮螺栓孔對塊剪計算的影響，折減系數B的計算方法為

式中，當L／d確定時，則存在相應的α角度，使系數B為最小值。目前輸電線路工程中，常用角鋼規格對應的螺栓布置方式和應用規格如表1所示。

表1 螺栓布置和規格

其中L40～L110采用單排螺栓連接，當螺栓為標準布置時［11］，Bmin如表 2 所示。

表2 單排螺栓連接下最小折減系數

根據表2，單排螺栓連接下抗拉折減系數Bmin取值范圍為0.97～1.00。當折減系數B為最小值時，可承受拉力最小。Bmin對應的抗拉段危險截面與拉力軸線的夾角α 取值范圍為 64°～77°或 103°～116°。

為驗證理論分析的合理性，采用有限元分析工具，以角鋼為例驗證分析。構件采用兩顆螺栓單排連接，鋼材料設置考慮塑性硬化及塑性變形。三維實體計算單元采用ABAQUS單元庫中4節點四面體單元（C3D4）。仿真結果如圖3所示。

圖3 塊剪有限元仿真結果

應力主要集中于夾角α為65°和110°左右兩處區域內，破壞模式同理論分析基本一致。

綜上，鐵塔設計規范中單排螺栓連接下塊剪破壞模式與實際存在一定差異，計算結果偏大，推薦單排螺栓情況下塊剪計算公式為

式中：n為螺栓數；B折減系數推薦取值為0.97。

2 雙排螺栓連接的塊剪計算

角鋼構件肢寬大于125 mm，雙排螺栓連接是最為常見情況，但DL／T 5154—2012未明確給出其的塊剪破壞模式和計算方法。根據以上理論對雙排螺栓連接的塊剪破壞模式和計算方法進行研究。

2.1 螺栓數目為偶數

根據加固板和連接梁塊剪試驗現象［5-6］，雙排螺栓（偶數）連接下角鋼可能的破壞模式有兩種，如圖4所示。

根據式（2）和式（8），圖 4（a）沿螺栓連線破壞和圖4（b）不沿螺栓連線破壞兩種破壞模式可承受最大拉力N1和N2計算公式分別為：

圖4 雙排螺栓（偶數）塊剪示意

2.1.1 折減系數的確定

根據式（8），雙排螺栓（偶數）連接情況下，At段的折減系數B僅與L1／d有關。角鋼肢寬L125～L300范圍內，雙排螺栓連接時，當肢寬＜160 mm時，選用M20螺栓，肢寬≥160 mm時，選用M24螺栓。當螺栓為標準布置時［11］，雙排螺栓（偶數）連接情況下折減系數Bmin如表3所示。

表3 雙排螺栓（偶數）情況下最小折減系數

由表3可知，雙排螺栓（偶數）連接下，最小折減系數Bmin取值范圍為0.96～0.98。Bmin對應的抗拉段危險截面與拉力軸線的夾角取值范圍為63°～67°或113°～116°。

2.1.2 破壞模式的確定

根據式（10）和式（11），圖 4（a）沿螺栓連線破壞模式允許最大拉力N1與圖4（b）不沿螺栓連線破壞模式N2的差值為

當螺栓為標準布置時［11］，可承受最大拉力的差值N2-N1如表4所示。

表4 雙排螺栓（偶數）情況下沿螺栓與不沿螺栓破壞模式最大拉力差

根據表 4，因為 tf＞0，所以 L125～L300范圍內，N2-N1＞0。圖 4（b）不沿螺栓連線破壞模式可承受最大拉力大于圖4（a）沿螺栓連線破壞模式。雙排螺栓（偶數）情況下，塊剪破壞模式為圖4（a）沿螺栓連線破壞模式。

2.1.3 有限元仿真

角鋼構件規格為L280×20，采用四顆螺栓雙排連接，仿真結果如圖5所示。

應力集中區域除位于第一排和第二排最內側螺栓連線方向外，第二排螺栓與肢端間應力主要集中于夾角α為65°左右區域內，破壞模式同理論分析基本一致。

2.2 螺栓數目為奇數

根據加固板和連接梁塊剪試驗現象［5-6］，雙排螺栓（奇數）連接下角鋼可能的破壞模式主要有兩種，如圖6所示。

圖5 雙排螺栓（偶數）塊剪有限元仿真結果

圖6 雙排螺栓（奇數）情況下塊剪示意

根據式（2）和式（8），圖 6（a）沿螺栓連線破壞、圖6（b）不沿螺栓連線破壞兩種破壞模式可承受最大拉力 N1、N2計算公式為：

2.2.1 折減系數的確定

圖6（a）沿螺栓連線破壞模式下折減系數B1僅與L1／d 相關，最小折減系數 B1min取值范圍為 0.96～0.98。

圖6（b）不沿螺栓連線破壞模式下折減系數B2僅與 Ld／d 有關。 當螺栓為標準布置時［11］，根據式（8），雙排螺栓連接情況下最小折減系數B2min如表5所示，B2min取值范圍為 0.95～0.96。

表5 雙排螺栓（奇數）連接下最小折減系數

2.2.2 破壞模式的確定

根據公式 13、公式14，圖6（a）沿螺栓連線破壞模式與圖6（b）不沿螺栓連線破壞模式可承受最大拉力的差值為

當螺栓為標準布置時［11］，可承受最大拉力的差值N2-N1如表6所示。

根據表 6，N2-N1＞0，所以圖 6（b）可承受最大拉力大于圖6（a）可承受最大拉力。雙排螺栓（奇數）連接情況下，塊剪的破壞模式為圖6（a）沿螺栓連線破壞模式。

2.2.3 有限元仿真

角鋼構件規格為L280×20，采用5顆螺栓雙排連接，仿真結果如圖7所示。

應力集中區域除位于第1排和第2排最內側螺栓連線方向外，第2排螺栓與肢端間應力主要集中于夾角α約65°和115°區域內，破壞模式同理論分析基本一致。

表6 雙排螺栓（奇數）情況下沿螺栓與不沿螺栓破壞模式最大拉力差 kN

圖7 雙排螺栓（奇數）塊剪有限元仿真結果

2.3 雙排螺栓塊剪計算

雙排螺栓情況下，塊剪的破壞模式為沿螺栓連線破壞，見圖 4（a）和圖 6（a），計算公式可歸納為：

當螺栓數為偶數時

當螺栓數為奇數時

式中：n為螺栓數；B折減系數推薦取值為0.96。

3 結論

根據輸電線路工程設計特點，結合以往加固板、連接梁等主要節點的塊剪試驗和研究成果，對鐵塔角鋼構件塊剪破壞進行了研究。

通過對比分析，將GB 50017—2013中受拉構件塊剪計算方法應用于輸電鐵塔，并通過仿真驗證該方法更貼近于實際工程。

單排螺栓連接下塊剪的計算公式為：

式中：n為螺栓數；B折減系數推薦取值為0.97。

雙排螺栓連接下塊剪的計算公式為：

當螺栓數為偶數時

當螺栓數為奇數時

式中：n為螺栓數；B折減系數推薦取值為0.96。

通過對角鋼構件塊剪的研究，修正和完善了輸電鐵塔塊剪計算方法，對進一步提升輸電線路工程鐵塔的安全性具有指導意義。