低溫條件下輸電鐵塔主材節點的強度及其分散性試驗

安利強，張海威，江文強，葛永慶

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低溫條件下輸電鐵塔主材節點的強度及其分散性試驗

安利強，張海威，江文強，葛永慶

(華北電力大學 機械工程系，河北 保定，071003)

為將鋼材材料的現有研究成果直接應用在節點的設計上，分別進行輸電鐵塔材料(139個試樣)和節點(216個試樣)的低溫拉伸試驗，并提出一種考慮節點連接滑移時的強度處理方法，對不同溫度下材料與節點的強度性能進行研究，依照國家標準研究低溫下節點屈服強度的分布規律和統計參數。研究結果表明：低溫條件下節點的屈強已經超出一般鋼材的屈強比范圍0.60~0.75，節點的抗力分項系數均小于規范中鋼材材料的參考值，且節點強度設計值普遍超出規范中強度設計值10%以上。建議結合低溫條件下節點屈強比的變化規律對節點的抗力分項系數以及屈服強度設計值進行合理取值。

低溫；強度性能；主材節點；分散性

在高壓輸電線路鐵塔的建設過程中，為了塔材加工與運輸的方便，輸電鐵塔的角鋼構件之間多采用螺栓連接[1?2]。然而，由于螺栓與螺栓孔的存在，勢必導致連接件與被連接件之間產生相對滑動，影響整塔剛度和強度性能，從而與鋼材材料性能產生差異，難以直接套用材料試驗的現有成果對鋼材節點的強度性能進行分析。且隨著電網建設的不斷擴展，應用于寒冷地區的鋼材日趨增加，尤其在東北局部地區的最低氣溫能夠達到?45 ℃以下[3]，輸電線路鐵塔工作環境惡劣，經常遭受大風、覆冰以及脫冰等影響[4?6]，鐵塔鋼材容易發生低溫脆斷破壞事故。由于我國當前設計規范中未對低溫條件下鐵塔角鋼的取材進行特別說明，因此，必須對低溫條件下鐵塔角鋼的強度性能進行研究，并給出不同溫度下主材節點屈服強度的統計參數，以便給低溫地區的鐵塔選材提供參考。在一定的溫度范圍內，隨著溫度的下降，鋼材材料與節點的強度性能逐漸增強，但發展規律不盡相同。王元清等[7?11]通過試驗研究了不同厚度高強鋼的低溫力學性能，發現隨試驗溫度的降低，鋼材的屈服強度和抗拉強度均不斷增大；LIU等[12?13]在上述試驗的基礎上，對王元清等[7?11]的研究結論進行了驗證，并增加了焊接接頭的對比研究。以上學者主要針對鋼材材料的低溫力學性能進行研究，未對輸電鐵塔主材角鋼進行直接分析，不能直接體現主材節點的低溫力學性能。20世紀60年代，PETERSON等[14]對角鋼螺栓連接節點進行實驗研究，給出了單螺栓連接時節點的極限載荷；MO?E 等[15?16]針對2種螺栓連接節點進行了系列實驗研究，給出了雙剪螺栓連接節點的屈服載荷和破壞強度。鄂加強等[17]通過建立兆瓦級風力發電機組螺栓連接處的三維模型，并對螺栓的靜力學性能進行分析，提出了螺栓預緊力的取值范圍，為螺栓連接的應力強度校核以及疲勞分析提供了參考。然而，輸電鐵塔主材角鋼螺栓連接節點更加復雜，為此，本文作者通過開展低溫條件下材料與節點的拉伸試驗，分析低溫條件下材料與節點強度性能的變化規律以及兩者之間屈強比隨溫度變化的規律對比，并探討低溫條件下節點屈服強度的統計參數，以便為低溫地區內輸電線路主材節點抗力分項系數的取值提出合理建議。

1 試驗概述

為探究低溫條件下鋼材材料與節點的強度性能變化規律，并對主材節點強度的分散性進行探討，本文作者開展了鋼材材料拉伸試驗和輸電鐵塔主材節點拉伸試驗。為方便理解試驗內容，對2種試驗進行以下簡述。

1.1 鋼材材料拉伸試驗

試驗主要研究Q345和Q420這2類鋼材材料的低溫力學性能，依據GB/T 228—2002“金屬材料室溫拉伸試驗方法”[18]、GB/T 13239—2006“金屬材料低溫拉伸試驗方法”[19]和GB/T 2975—1998“鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備”[20]進行材料試樣的加工、取樣及試驗，材料試樣的幾何尺寸以及試驗后的材料試樣結果分別如圖1和圖2所示。

數據單位：mm

圖2 材料試樣試驗結果

1.2 主材節點真型拉伸試驗

試驗主要針對Q345和Q420這2類輸電鐵塔主材節點進行拉伸，研究不同溫度下主材節點的強度性能及其統計參數。其中通過低溫箱創造低溫環境，將主材節點部位置于低溫箱之中，并利用低溫箱調節試驗溫度。節點拉伸試驗裝置、低溫箱實物圖以及節點拉斷試驗圖分別如圖3~5所示。

圖5所示節點的破壞形式為角鋼斷裂，斷口區域位于下角鋼與包鋼底部的最下排螺栓連接處，但包鋼與上角鋼也存在明顯變形。

圖3 拉伸試驗裝置

圖4 低溫箱實物圖

圖5 節點拉伸試驗圖

其中，高低溫試驗箱的部分技術參數如表1所示。

表1 高低溫試驗箱部分參數

注：性能參數是在電源電壓為380 V，室溫為20 ℃，無負荷、無試樣條件下測得的。

2 考慮連接滑移的強度處理方法

輸電鐵塔主材節點的拉伸試驗結構包括上、下2支角鋼，并通過螺栓與包鋼相連。輸電鐵塔中施加的螺栓預緊力較小，且螺栓與螺栓孔之間存在一定的構造間隙，因此，包鋼與角鋼較易在螺栓連接處產生相對滑動。且大量真型試驗也表明螺栓連接滑移在輸電鐵塔中極為普遍[21]，因此，不能直接套用鋼結構中關于標準試件的拉伸數據處理方法。基于此，本文作者在考慮螺栓連接滑移的基礎上對參數進行處理，得到主材節點的強度參數。

2.1 節點拉伸數據的擬合函數

為較好地模擬螺栓連接滑移對連接試件的影響規律，江文強[22]在前人研究的基礎上提出一種連接滑移模型，其載荷?位移曲線的函數表達式為

本次拉伸試驗通過液壓缸控制并實時記錄拉伸載荷，且通過拉線式位移計記錄各拉伸載荷對應的節點變形量，即構成原始的載荷?位移曲線，如圖6所示。由圖6可知：通過對式(1)的相關系數進行調整，得到基于式(1)的擬合曲線，且與試驗曲線吻合較好，能夠替代試驗結果進行后續強度參數的處理。

1—試驗數據；2—擬合函數。

2.2 強度參數的處理方法

將式(1)分離為描述間隙滑移過程和變形過程的載荷?位移曲線，即認為實際載荷?位移曲線是2條曲線在位移上的疊加，如圖7所示。

圖7 節點拉伸的載荷?位移曲線

圖7中載荷?變形過程表示實際的載荷?位移曲線；間隙滑移過程表示當載荷達到臨界滑移載荷時，節點發生滑移，滑移量為0；而變形過程描述的為剔除滑移影響后節點的載荷?位移曲線。

其中描述間隙滑移過程的函數表達式為

描述變形過程的函數表達式為

3 低溫對節點強度性能的影響

通過對鋼材材料拉伸試驗和節點拉伸試驗結果進行處理，統計出低溫條件下鋼材材料及節點的強度性能指標，并對兩者強度指標的變化規律進行探討，對低溫環境下節點的應用給出合理建議。

3.1 低溫條件下材料及節點的強度指標

材料拉伸試驗選擇從Q345角鋼(肢厚=14 mm)和Q420角鋼(肢厚=12 mm)進行取樣，在每種溫度下分別進行3組試驗，計算每次試驗的屈服強度、抗拉強度和屈強比，并取3次試驗平均值作為該溫度下的強度，如表2所示。

表2 材料拉伸試驗的強度

節點拉伸試驗選擇Q345角鋼(型號為L125×14)和Q420角鋼(型號為L125×12)進行試驗，由于試驗考慮了螺栓排列形式(單排、雙排)、螺栓孔加工方式(沖孔、鉆孔)以及螺栓孔直徑(16，20和24 mm)對節點拉伸的影響，且每種情況進行了3組試驗，因此，每種溫度下共有36組試驗值。但在實際拉伸試驗中有些情況在節點屈服之前螺栓就率先被破壞，因此，無法計算該種情況的屈服強度，導致每種溫度下實際統計組數小于36組。根據2.2所述的數據統計方法對試驗結果進行處理，得到各溫度下節點的屈服強度、抗拉強度以及屈強比，如表3所示。

3.2 低溫對節點強度性能的影響規律

根據表2和表3所列不同溫度下材料和節點的強度性能指標，分別繪制材料和節點的強度指標隨溫度的變化曲線，如圖8所示。

由圖8(a)可知：鋼材材料和節點的屈服強度均隨溫度降低而增大，其中材料的屈服強度隨溫度降低而變化的幅度較大；Q420鋼材材料的屈服強度均大于相應溫度下節點的屈服強度，而常溫時Q345鋼材節點的屈服強度大于材料的屈服強度。

表3 節點拉伸試驗的強度

(a) 屈服強度；(b) 抗拉強度；(c) 屈強比

由圖8(b)可知：2種鋼材材料和節點的抗拉強度均隨溫度降低而增大，且材料的抗拉強度均大于相應溫度下節點的抗拉強度。

由圖8(c)可知：Q420鋼材材料和節點的屈強比均隨溫度下降呈先增后減的趨勢，其中在?20 ℃時的屈強比最大；與材料的屈強比相比，節點的屈強比較大，這是由于隨溫度下降，節點的屈服強度與抗拉強度均增大，其中節點的屈服強度變化較小，而抗拉強度變化較大，從而導致節點的屈強比大于相應溫度下材料的屈強比。

總體來說，與鋼材材料相比，節點的屈服強度及抗拉強度略小，且其屈強比較大，意味著節點的屈服強度與抗拉強度更接近，安全裕度降低，容易導致節點在低溫時脆斷，不利于輸電鐵塔的安全運行。

4 屈服強度的分布類型及其分散性

由于實際節點結構中存在著不可避免的加工誤差、安裝誤差以及計算模式誤差等，因此，通過節點拉伸試驗獲取的節點屈服強度的隨機性很大，必須在確定屈服強度分布類型的基礎上再對屈服強度的分散性進行處理。

4.1 屈服強度的分布類型

以Q420鋼材節點在?45 ℃時的屈服強度為例(共計18組數據)，繪制該溫度下屈服強度的分布直方圖，如圖9所示。

圖9 屈服強度分布直方圖

表4 屈服強度的檢驗

4.2 屈服強度的分散性

根據“建筑結構可靠度設計統一標準”[23]針對材料強度標準值計算方法的規定，本文采用0.05分位值確定節點的屈服強度標準。

由式(5)和式(6)計算2種鋼材節點在不同溫度下屈服強度的標準值和統計參數，如表5所示。

5 抗力統計參數及強度設計值

強度設計值直接影響結構構件的極限承載力，過小會使結構的安全裕度偏小，過大會使結構的工程造價偏大。而現有規范僅給出了鋼材材料的強度設計值，為此，本文在計算節點抗力統計參數的基礎上，從保證結構構件可靠度指標的角度出發，計算節點的抗力分項系數，進而給出不同溫度下節點強度設計值的參考值。

5.1 抗力統計參數

根據DL/T 5154—2002“架空送電線路桿塔結構設計技術規定”[24]，考慮公式的計算誤差時，桿塔構件軸心受力時的抗力可以表示為

表5 節點屈服強度與抗力的統計參數

根據上述變量的統計參數以及表5所列節點強度的統計參數，結合式(8)和式(9)可計算不同溫度下節點構件抗力的統計參數，如表5所示。

5.2 節點屈服強度的設計值

根據可靠度指標的定義，可知

式(10)可轉化為

其中：

工程設計中經常以抗力和的標準值K和K作為計算對象：

根據上述關系，式(11)可以轉化為

由表5可知：Q345鋼材節點在?20 ℃時的抗力分項系數最大為1.091，小于該類型鋼材材料抗力分項系數的規定值1.113，對應的強度設計值最小為 345.48 MPa，較規范中鋼材材料的規定值310 MPa依然超出11.45%。

而Q420鋼材節點在20 ℃時的抗力分項系數最大為1.052，小于該類型鋼材材料抗力分項系數的規定值1.105，對應的強度設計值為418.82 MPa，較規范中鋼材材料的規定值380 MPa依然超出10.22%。

當不考慮低溫下屈強比增大的影響時，與規范對鋼材材料的相關規定值進行對比，節點抗力分項系數的減小以及強度設計值的增大均說明節點的強度設計較規范的規定之間依然存在一定的安全裕度。

結合3.2節所述，低溫條件下節點的屈強比較大，已經超出一般鋼材的屈強比范圍0.60~0.75，屈強比的增大勢必導致主材節點安全裕度的大幅降低。由于 表5中低溫條件下節點抗力分項系數的選取未考慮低溫時節點屈強比增大的影響，為保證低溫地區輸電塔的安全運行，防止節點發生低溫脆斷，建議在表5所述的抗力分項系數的基礎上適度提高抗力分項系數。

6 結論

1) 提出一種考慮節點連接滑移時的強度處理方法，可有效剔除連接滑移的影響，進而求解節點的強度性能指標。

2) 節點拉伸試驗得到的屈服強度基本滿足正態分布規律，并給出了低溫條件下強度及抗力的統計 參數。

3) 節點的抗力分項系數均小于規范中鋼材材料的參考值，且節點強度設計值普遍超出規范中強度設計值10%以上，說明不考慮屈強比影響時節點的強度設計較規范規定之間依然存在一定的安全裕度。

4) 隨溫度下降，節點的強度性能有所提高，但其屈強比總體呈現先增后減的趨勢，在低溫條件下屈強比增大，容易導致節點低溫脆斷，安全裕度降低，建議在本文所求低溫條件下節點抗力分項系數的基礎上適度提高抗力分項系數。

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(編輯 劉錦偉)

Experimental study of strength and dispersion of main joints on transmission tower in low temperature

AN Liqiang, ZHANG Haiwei, JIANG Wenqiang, GE Yongqing

(Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to apply the current research of steel materials to the design of the bolt joints in transmission tower, tensile tests of materials (139 specimens) and joints (216 specimens) in low temperatures were conducted respectively. And a calculated method of strength properties considering the bolt slippage was presented. The strength and the variation characteristics of steel and joints under different temperatures were studied. According to the national standards, the distribution and statistical parameters of joint yield strength were also researched in low temperatures. The results show that the yield to ultimate ratio of the joint under low temperature conditions exceeds the usual range of steel material 0.60?0.75; the resistance partial factors of the joints are less than the reference value of the steel material, and the design value of joint strength exceeds the standard specification by 10% generally. The design value of yield strength and resistance partial factor should be selected based on the change of yield ratio of main joints in low temperatures.

low temperature; strength property; main joints; dispersion

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.032

TU511.3

A

1672?7207(2018)09?2356?09

2017?09?05；

2017?11?09

國家自然科學基金資助項目(51675179)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014ZD36) (Project(51675179) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014ZD36) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China)

安利強，博士，副教授，從事輸電線路工程及風力機設計的教學和研究；E-mail: alq2146@163.com