輸電塔T型組合角鋼夾具型加固設計與仿真研究

董義義，吳海兵，曾二賢

（1.電力規劃總院有限公司，北京100011；2.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢430013）

0 引言

隨著我國電網建設的發展，輸電線路已逐步從大規模新建邁入在役線路的維護和改造過渡階段，桿塔作為輸電線路的重要支撐結構，在全壽命周期內的安全健康狀況尤為重要。輸電桿塔處于露天環境中，桿塔結構承受交變反復荷載作用，容易產生性能弱化或退化現象，進而引起桿塔結構體系的破壞，加劇倒塔事故。因此，隨著在役輸電線路維護和升級改造需求日益旺盛，桿塔加固技術研究成為輸電線路行業的一項重要課題。

在既有輸電線路改造工程中，往往需要對不能滿足使用要求的既有桿塔構件進行加固。目前，通常的加固方式多采用高空制孔或焊接工藝，該方式具有施工難度大、安全風險高、對原結構擾動大，安全性不可控等特點。因此，研究一種盡量不擾動原構件，且施工便利、操作性強的加固方案顯得緊迫且必要。

目前，國內外學者對鋼結構構件加固型式進行了一定的研究和探索，也取得了一些有價值的成果［1-20］。Brown J H（1988）等［2］對原角鋼與新角鋼并聯形成十字組合截面進行理論分析；周文濤（2009）等［7］試驗研究了背靠背方式十字組合角鋼的加固效果；韓軍科（2010）等［9］針對一字板十字型截面加固前后構件的承載力進行了對比分析；Lu C等［10］針對采用節點板拼接加固的角鋼構件進行靜載試驗和有限元數值模擬分析；沈之容（2016）［11］針對在負載條件下焊接補強角鋼加固方型、T 型、Z 型和十字型四種截面型式后的穩定極限承載力進行了研究。可見，上述方案多采用焊接形式增大截面法的加固方式，不適用于輸電桿塔現場無損加固的設計出發點。

螺栓連接和焊接加固的截面型式經一定構造轉換后，可通過夾具實現無損連接。KOMATSU（2009）等［6］提出了一種采用加強鋼板、抱箍夾具和高強螺栓對構件進行加固，如圖1所示；連繼業（2019）等［16］針對如圖2所示的夾具加固十字型截面穩定承載力進行了試驗研究；張戩（2019）等［17］設計了一種通過V 形卡具連接T型截面的加固方式，如圖3所示。

圖1 KOMATSU夾具型截面[6]Fig.1 KOMATSU section clamp

圖2 夾具型十字型截面[16]Fig.2 Cross section clamp

綜上所述，現有夾具型加固方案主要針對主材設計，不適用于輸電桿塔斜材對加工和安裝的要求。本文結合輸電桿塔斜材的實際受力及構造特點，提出了一種能同時適用于主材與斜材的新型夾具型加固方案。

圖3 夾具型T型截面[17]Fig.3 T-section clamp

1 加固方案設計

對輸電塔斜材，尤其是有輔助材支撐的交叉斜材，由于其總有一肢內外兩面均有連接節點，要想實現近似全長加固，只有T 型截面具備可實施性。結合輸電鐵塔的構造特點可知，T 型截面對各個位置的單角鋼主、斜材均具有較好的適用性，是一種更為通用的加固截面型式。據此，本文設計了圖4-圖5 所示的新型T型截面夾具加固方案。該方案借鑒了傳統十字組合截面的加固型式，在原角鋼一肢上背貼一等規格補強角鋼。兩塊角鋼通過采用螺栓連接的兩個內包鋼和一塊外貼板組成的夾具緊固相連。

圖4 T型截面夾具型加固方案安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of T-section clamp reinforcement method

從原理上說，該方案具有如下優點：

1）適用范圍廣。加固僅要求原角鋼的一肢外表面供補強角鋼供貼合使用，輸電塔單角鋼構件均可滿足。

2）應用靈活。補強角鋼長度可根據工程需求設計，具有靈活性。

3）連接可靠性高。連接夾具節點處連接剛度大，連接可靠。

圖5 T型截面夾具型加固方案截面示意圖Fig.5 Section diagram of T-section clamp reinforcement method

4）無損加固、施工便利。采用螺栓連接，無需現場制孔或焊接，對原角鋼無損傷。

2 加固方案有限元分析

針對上述新型T 型截面夾具型加固方案，本節使用通用有限元軟件ANSYS進行數值仿真分析，研究分析了構件的受力和變形特征，并通過對比構件加固前后的穩定系數重點考察了角鋼規格、長細比、加固比例、夾具數量對加固效果的定量影響。

2.1 有限元模型與參數設置

2.1.1 模型概述

對圖4 所示的加固方案，采用3 維10 節點實體單元solid92 建立了如圖6 所示的實體有限元仿真模型。原角鋼與補強角鋼的接觸面采用標準（Standard）硬接觸，接觸單元采用conta174，目標單元采用targe170，其它接觸面采用粘結形式。為模擬原角鋼的兩端鉸接約束和施加軸向壓力，采用多點約束（MPC）技術，在模型兩端各添加一個參考點，分別與原角鋼兩端截面耦合，約束和荷載均施加在參考點上。

圖6 加固方案的ANSYS模型Fig.6 ANSYS model of reinforcement method

計算模型的鋼材牌號采用Q345，材料本構采用理想彈塑性模型，彈性模量E=206 GPa。網格劃分采用自由網格劃分，并利用智能尺寸控制技術（Smartsize）來控制網格的大小和疏密分布，最終網格劃分結果如圖7 所示。計算時，原角鋼與補強角鋼的初始缺陷均考慮L/1 000 的初彎曲而忽略殘余應力的影響。計算采用弧長法，并設置荷載—位移曲線開始下降時結束求解，此時的荷載峰值點即對應構件的極限承載力。

圖7 加固模型的網格劃分Fig.7 Mesh of reinforcement model

2.1.2 參數設置

本次數值仿真計算重點考察了如下因素對加固方案效果的影響：

1）角鋼規格：選取L70X5、L90X7、L110X8 三種角鋼規格。

2）構件長細比：選取80、120、160三種長細比。

3）加固比例：即圖8（a）中補強角鋼長度與原角鋼的長度之比，選取0.5、0.7、0.9三種加固比例。

4）夾具數量：選取2個、3個、4個三種夾具數量。

2.2 有限元模型結果

2.2.1 典型變形與應力云圖

通過多種參數模型的計算，加固構件的變形與應力可總結為以下3種典型情況：

1）加固比例較小

圖8 展示了加固比例較小時構件的典型變形（放大50 倍）及應力云圖。從中可以看出，變形以繞加固后截面的最小軸的彎曲為主，但非加固的區域彎曲更明顯，并伴有一定程度的扭轉，應力在構件加固與非加固邊緣附近較大。

2）夾具數量不足

圖9 展示了夾具數量不足時構件的典型變形（放大50 倍）及應力云圖。從中可以看出，由于夾具數量不足，原構件與補強構件的協同變形受到影響，會在跨中附近發生一定的脫開。整體來說，變形以繞加固后截面的最小軸的彎曲為主，應力在構件加固與非加固邊緣附近以及跨中處較大。

3）加固比例較大且夾具數量足夠

圖10 展示了加固比例較大且夾具數量足夠情況下構件的典型變形（放大50 倍）及應力云圖。從中可以看出，原構件與補強構件有較好的協同變形，變形以繞加固后截面的最小軸的彎曲為主，應力在構件加固與非加固邊緣附近以及跨中處較大。

圖8 加固比例較小時構件的變形與應力云圖Fig.8 Deformation and stress cloud diagram when the reinforcement ratio is small

圖9 夾具數量不足時構件的變形與應力云圖Fig.9 Deformation and stress cloud diagram when the number of clamps is insufficient

圖10 夾具數量足夠時構件的變形與應力云圖Fig.10 Deformation and stress cloud diagram when the number of clamps is sufficient

2.2.2 加固效果

表1給出了構件加固前后穩定系數的ANASYS 分析結果，表中的φ 為穩定系數，i 為構件的截面最小軸回轉半徑，夾具間距為相鄰兩個夾具中心之間的距離。圖11 與圖12 將表1 中數據進行了歸納整理。從有限元分析結果上看，可以得出以下結論。

表1 加固構件ANASYS分析結果Table 1 ANASYS analysis results of reinforcement members

1）本方案對各類規格角鋼的加固效果良好，分析模型中最差情況下加固后的構件穩定系數也增大了13.8%。

2）如圖11 所示，本方案適用于各類規格角鋼，且加固效果與角鋼規格基本無關。

3）如圖11所示，本方案加固效果隨著長細比與加固比例的增大而顯著增強。

圖11 不同規格及長細比構件補強后穩定系數φ的分析結果Fig.11 Analysis results of stability coefficient φ of reinforced members in different specifications and slenderness ratio

4）如圖12 所示，本方案加固效果與夾具的間距（中心距）有關，在同樣的長細比與加固比例下，夾具間距越小，加固效果越大。從模擬結果來看，當夾具間距小于40i時，夾具能發揮很好的效果。

圖12 角鋼L70X5采用不同夾具數量穩定系數φ的分析結果(加固比例0.9、長細比120)Fig.12 The stability coefficient φ of angle L70X5 in different number of clamps(Reinforcement ratio 0.9,slenderness ratio 120)

3 結語

本文提出了一種適用于架空輸電桿塔構件無損加固的新技術方案，即采用新型夾具將補強角鋼和原角鋼緊固連接成T 型截面構件。該方案應用靈活、施工便利，可適用于輸電塔的各類單角鋼構件與輸電線路停電及非停電的多種維修加固場景。通過有限元分析得到如下主要結論：

1）加固效果良好，適用于各類規格角鋼，且加固效果與角鋼規格無關；

2）加固效果隨構件長細比與加固長度的增大而顯著增強；

3）夾具間距越小，加固效果越大。結合經濟性和安全性，建議夾具間距不宜超過40倍原構件最小軸回轉半徑。

另外，本研究主要采用數值仿真對架空輸電桿塔斜材無損加固技術進行了分析和探討，建議后續可開展相應的試驗研究和驗證工作，為既有線路桿塔加固改造提供技術支撐。