輸電鐵塔受拉構(gòu)件塊剪計算方法研究

2018-08-01 01:13:48韓大剛馬海云

山東電力技術(shù) 2018年7期

車達，韓大剛，楊洋，蒲凡，馬海云

（西南電力設(shè)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(jié)構(gòu)連接型式，鐵塔桿件通過螺栓相互連接傳力，其連接節(jié)點是輸電鐵塔的關(guān)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(guān)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(nèi)外學(xué)者對加固板、連接梁等主要節(jié)點的塊剪進行了大量試驗研究［3-5］，Kulak等人對試驗結(jié)果進行了歸納總結(jié)［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(jié)果與試驗結(jié)果相當［7］。

美歐鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中均對塊剪做出相應(yīng)規(guī)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(gòu)件的塊剪進行校驗［8-9］。DL／T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》增加了塊剪驗算［10］。

規(guī)范中對單排螺栓塊剪的破壞模式計算與試驗結(jié)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(guī)范中并未給出其塊剪的破壞模式和計算公式。

根據(jù)輸電線路工程設(shè)計特點，結(jié)合以往加固板、連接梁等主要節(jié)點的塊剪試驗和研究成果，將《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中受拉構(gòu)件塊剪計算方法應(yīng)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(gòu)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(shè)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(xiàn)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(gòu)件塊剪示意

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定連接節(jié)點處板件的強度計算公式根據(jù)角鋼桿件桁架節(jié)點板的試驗研究擬合而來［3］。具體計算公式為

鋼規(guī)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(shù)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(shù)B為

1.2 考慮螺栓孔的影響

實際的輸電鐵塔設(shè)計時，須考慮螺栓孔對塊剪計算的影響，折減系數(shù)B的計算方法為

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

表1 螺栓布置和規(guī)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(shù)

根據(jù)表2，單排螺栓連接下抗拉折減系數(shù)Bmin取值范圍為0.97～1.00。當折減系數(shù)B為最小值時，可承受拉力最小。Bmin對應(yīng)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(gòu)件采用兩顆螺栓單排連接，鋼材料設(shè)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(jié)點四面體單元（C3D4）。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 塊剪有限元仿真結(jié)果

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

綜上，鐵塔設(shè)計規(guī)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(jié)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(shù)；B折減系數(shù)推薦取值為0.97。

2 雙排螺栓連接的塊剪計算

角鋼構(gòu)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(jù)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(shù)目為偶數(shù)

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

根據(jù)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(shù)）塊剪示意

2.1.1 折減系數(shù)的確定

根據(jù)式（8），雙排螺栓（偶數(shù)）連接情況下，At段的折減系數(shù)B僅與L1／d有關(guān)。角鋼肢寬L125～L300范圍內(nèi)，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(shù)）連接情況下折減系數(shù)Bmin如表3所示。