钢管角钢组合塔节点极限承载力影响因素分析

鞠彦忠¹，雷俊方²，王德弘¹，白俊峰¹

(1. 东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林，132012；

2. 广东电网公司 教育培训评价中心，广东 广州，510520)

摘要：采用有限元软件ANSYS建立钢管角钢组合塔管板节点的三维实体模型，对其受力过程、承载力及其破坏模式进行分析，研究节点板长度、角钢厚度、角钢边宽以及角钢长度对钢管角钢组合塔管板节点极限承载力及破坏模式的影响。研究结果表明：在一定取值范围内，节点板长度的改变对节点的极限承载力几乎没有影响；角钢厚度对节点承载力影响显著，其承载力随着角钢厚度的增加而增大；角钢边宽和角钢长度对节点极限承载力的影响较小。研究结果可为钢管角钢组合塔的节点设计提供参考。

关键词：钢管角钢组合塔节点；几何参数；极限承载力；破坏模式

中图分类号：TM75          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)08-2781-06

Parametric study on ultimate strength of tube-angle combo tower joints

JU Yanzhong¹, LEI Junfang², WANG Dehong¹, BAI Junfeng¹

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China;

2. Education Training and Evaluation Center, Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510520, China)

Abstract: Three dimensional solid models of tube-angle combo tower tube-gusset Joints were built, and the loading process, ultimate strength and failure mode of joints were discussed. The factors affecting the ultimate strength and failure mode of tube-angle combo tower tube-gusset joints were analyzed; these factors include gusset plate length, steel angle thickness, steel angle edge width, and steel angle length. The results show that in a certain range, the ultimate strength remains almost unchanged as gusset plate length increases. The ultimate strength increases as steel angle thickness increased. Steel angle edge width has little effect on the ultimate strength; and steel angle length has a tiny influence on the ultimate strength. The results can provide reference for design of tube-angle combo tower joints.

Key words: tube-angle combo tower joints; geometric parameter; ultimate strength; failure mode

输电塔作为高压输电工程的结构，其安全性是保障大规模区域电力系统可靠性的基础。输电塔属于高柔结构，在塔-线耦合作用下，受力状态比较复杂，尤其是输电塔的节点，连接着多个不同方向的杆件，受力情况更加复杂，因此节点设计是输电塔设计的重点部位^[1-2]。目前对于角钢塔节点的研究已经比较充分，形成了较成熟的理论^[3-4]，而钢管塔及钢管角钢组合塔在我国的应用刚开始不久，对其节点的研究还比较少^[5-10]。钢管角钢组合塔主材采用钢管，其横隔和斜材采用角钢，角钢和钢管之间用节点板进行连接。其中，K型角钢管板节点在输电塔中最为常见。为了了解节点板和角钢的参数对角钢管板节点性能的影响，本文作者采用已通过合理性验证的有限元模型，对角钢管板K型节点进行有限元分析，研究节点板长度、角钢厚度、角钢边宽以及角钢长度在一定取值范围内对节点极限承载力和破坏模式的影响。

1  组合塔角钢管板节点有限元分析模型

1.1  有限元分析模型

钢管角钢组合塔节点形成如图1所示。模型的分析单元采用三维实体单元SOLID45，适用于解决大应变、大位移等非线性问题，能够模拟角钢受压时节点板的一侧产生偏心作用^[11]。此外，还使用面-面接触单元CONTA174和目标单元TARGE170来模拟角钢和螺栓、螺栓和节点板、节点板和角钢之间的相互作用。

图1  钢管角钢组合塔的节点形式

Fig. 1  Typical tube joints in tube-angle combo tower

钢材材料采用理想弹塑性模型，弹性模量E=2.06×10⁵ N/mm²，泊松比为0.3，材料弹塑性的发展由von Mises屈服准则及相关流动法则确定。

考虑节点的实际受力状态，参照平面钢管节点的有限元研究^[12]，将主材钢管一端按固定支座约束，另一端为仅沿管轴方向有位移的滑动支座。斜材角钢只产生轴向位移，故其端部为径向约束滑动支座约束，约束以节点的形式施加在角钢端部，同时施加反对称的面荷载。角钢管板节点有限元模型见图2。

图2  钢管角钢组合塔节点的有限元模型

Fig. 2  Finite element model of tube-angle combo tower joints

1.2  角钢管板K型节点几何参数设置

角钢管板K型节点几何参数包括：钢管长度L、钢管直径D，管壁厚度t，则钢管径厚比为γ=D/t；节点板长度L_P、节点板宽W_P、节点板厚度t_P；角钢长度L_j、角钢边宽W_j、角钢厚度t_j，角钢转角θ，角钢肢端面中点沿轴线方向至钢管顶壁净距离C(简称净距C)。几何参数示意图如图3所示。

图3  钢管角钢组合塔节点的几何参数示意图

Fig. 3  Geometric parameters of tube-angle combo tower joints

由于影响角钢管板节点极限承载力的因素错综复杂，且节点几何参数较多，为了便于分析比较，对节点板长度L_P、角钢厚度t_j、角钢边宽W_j和角钢长度L_j进行分析研究时，固定钢管直径D为159 mm，钢管长度L为950 mm，节点板宽度W_P为350 mm，角钢倾角θ为50°，钢管厚度t为15 mm，净距C为160 mm。由于节点板厚度对角钢管板节点的极限承载力影响极其显著^[10]，因此，在分析每个参数对节点的影响时，暂不考虑θ的变化、钢管所承受的轴力、焊缝缺陷及残余应力对节点的极限承载力所产生的影响。只改变了节点板厚度t_P，以考察几何参数对角钢管板节点极限承载力的影响。

2  几何参数对节点极限承载力的影响

2.1  节点极限承载力及失稳破坏模式的判定

钢管角钢组合塔管板节点的极限承载力是指节点破坏时受压角钢端部所能承受的最大轴向压力^[10]。节点在静力荷载作用下的破坏通常采用3种不同的准则来确定，即极限强度准则、极限变形准则和可视的裂缝发展。本文采用了极限强度准则，定义荷载-变形曲线中的最大荷载作为节点的极限承载力^[13]。

角钢管板节点的破坏模式与其极限承载力密切相关。在假定螺栓连接和焊缝强度的足够大的条件下，主要考虑了节点板和角钢参数的变化对节点极限承载力和破坏模式的影响。根据节点达到极限承载力时结构的破坏位置，将角钢管板节点的破坏分为2种模式，即节点板失稳破坏和角钢失稳破坏。

2.2  节点板长度L_P对节点极限承载力的影响

表1所示为节点板取不同长度时，角钢管板K型节点的极限承载力与平面外最大位移。从表1可以得出，当节点板厚度一定时，随着节点板长度的增加对节点极限承载力及节点达到极限承载力时所对应的板平面外最大位移影响很小，节点板长度增加对节点承载力的提高幅度不超过6%；相同节点板长度条件下节点达到极限承载力时所对应的板平面外最大位移基本一致，这是因为各节点板长度在650~810 mm之间时所对应的角钢管板节点均发生节点板失稳这一破坏模式。

表1  不同节点板长度下节点的极限承载力及破坏模式

Table 1  Ultimate strength and failure mode of joints with different gusset plate lengths

从表1还可以看出，随着节点板长度的增加，节点极限承载力基本保持不变。这是由于节点板和主管的交界线区域的应力较小，而应力较大的部位直接从中部沿着主管的侧壁发展，板长增加的部分并没有起到传递应力的作用，所以角钢管板节点极限承载力变化不明显；节点板厚度的增加对节点的极限承载力影响显著，板厚从6 mm增加到22 mm时，节点的极限承载力提高约70%，这一结果与文献[10]的研究结论一致。

2.3  角钢厚度t_j对节点极限承载力的影响

表2所示为角钢取不同厚度时，角钢管板K型节点的极限承载力与平面外最大位移。从表2可以得出：角钢厚度对角钢管板K型节点的极限承载力和相应的平面外最大位移影响较为显著。随着角钢厚度的增加，节点极限承载能力不断增大；当节点板厚度为6 mm和10 mm，角钢管板节点达到极限承载力时节点板破坏，对应的平面外最大位移相差不大；当节点板厚度为14，18和22 mm时，所对应的平面外最大位移相差较大，当角钢厚度为6 mm和10 mm时发生角钢失稳破坏，节点平面外最大位移约为6 mm，此时节点板和主管的强度没有得到充分发挥；当角钢厚度大于10 mm时节点的破坏形式为节点板失稳破坏，节点平面外最大位移约为17 mm。

表2  不同角钢厚度节点的极限承载力和破坏模式

Table 2  Ultimate strength and failure mode of joints with different steel angle thickness

角钢厚度的增加时，角钢管板节点的极限承载力随之增加，这是由于角钢厚度的增大使角钢破坏的几率减小，因而节点板和主管材料得到较大程度的利用，节点极限承载力随之增大。从图5可以看出：当节点板厚度为6 mm和10 mm时，节点极限承载力与角钢厚度近似呈线性增长；当角钢厚度为6 mm，节点板厚度为14，18和22 mm时，节点破坏形式均为角钢失稳破坏，节点极限承载力比较接近，约为420 kN；当角钢厚度超过10 mm后，节点板极限承载力与角钢厚度增加而继续呈现线性增长趋势，这是由于当角钢厚度大于10 mm时，角钢管板节点发生节点板失稳破坏，此时节点板得到了充分利用，节点极限承载力增加明显。实际工程中该破坏形式为角钢管板节点的主要破坏模式^[9] ，因此，在节点设计中角钢厚度宜大于10 mm。

2.4  角钢边宽W_j对节点极限承载力的影响

表3所示为角钢取不同边宽时，角钢管板K型节点的极限承载力与平面外最大位移。从表3可知：当角钢管板节点的破坏模式为节点板破坏时，角钢边宽对节点的极限承载力影响不明显，当节点板厚度为6 mm和10 mm，角钢管板节点达到板极限承载力时的破坏模式均为节点板失稳破坏，因而其对应的平面外最大位移相差不明显。当节点板厚度为14和18 mm，角钢边宽为100 mm时，节点的破坏模式为角钢失稳破坏，此时节点平面外最大位移明显减小。当节点板厚度为18 mm，角钢边宽为100，125和140 mm时，节点破坏模式为角钢失稳破坏；节点板厚度为22 mm时，各角钢边宽取值对应的节点破坏模式均为角钢失稳破坏，节点承载力增加显著，角钢边宽从100 mm增加到180 mm，其极限承载力提高65%。

当节点板厚度取6 mm和10 mm时，节点极限承载力随着角钢边宽的增大几乎保持不变，这表明角钢边宽对节点极限承载力影响不大。当节点板厚度取14 mm，角钢边宽取100 mm时，节点极限承载力略有增加，这是因为节点破坏模式由角钢失稳变为节点板失稳破坏，此时，节点板材料利用较充分。但随着角钢边宽的增大，节点极限承载力也几乎保持不变，同样表明角钢边宽对节点极限承载力影响不大。而当节点板厚度取18 mm时，由于节点的破坏模式从角钢失稳过渡到节点板失稳破坏，故节点极限承载力增加。当节点板厚度取22 mm时，由于节点均发生角钢失稳破坏，所以此时角钢边宽影响着节点极限承载力，节点极限承载力呈上升趋势。由于实际工程中管板节点发生的主要破坏模式是节点板失稳破坏，因此，角钢边宽对节点极限承载力影响很小。

表3  不同角钢边宽节点的极限承载力和破坏模式

Table 3  Ultimate strength and failure mode of joints with different angle edge widths

2.5  角钢长度L_j对节点极限承载力的影响

表4所示为角钢不同长度时，角钢管板K型节点的极限承载力与平面外最大位移。从表4可以看出：角钢长度的改变对角钢管板节点的影响很小；当节点板厚度一定，角钢长度分别取360，380，400，420和440 mm时，节点的极限承载力改变不超过7%，并且所用节点破坏模式均为节点板破坏，节点达到极限承载力时所对应的板平面外最大位移基本一致。不同角钢长度条件下，节点的极限承载力基本保持不变。因此，角钢长度对节点极限承载力的影响很小。

表4  不同角钢长度节点的极限承载力和破坏模式

Table 4  Ultimate strength and failure mode of joints with different steel angle lengths

3  结论

(1) 当节点板长度为650~810 mm时，节点板长度的增加对钢管角钢组合塔管板节点的极限承载力几乎没有影响，因此在节点设计中时，节点板长度取值不宜过大。

(2) 当角钢厚度为6 mm和10 mm时，钢管角钢组合塔管板节点易发生角钢失稳破坏，当角钢厚度大于10 mm时，节点易发生节点板失稳破坏，此时节点的极限承载力较大。因此在节点设计时，角钢厚度的取值宜大于10 mm。

(3) 当角钢边宽为100~180 mm时，角钢边宽的改变对钢管角钢组合塔管板节点的极限承载力影响不大，在节点设计时，角钢边宽的取值不宜过大。

(4) 当角钢长度为360~440 mm时，角钢长度的改变对钢管角钢组合塔管板节点的极限承载力影响很小。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-08-05；修回日期：2013-10-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878040)；吉林省科技发展计划项目(201105061)

通信作者：鞠彦忠(1963-)，男，吉林大安人，博士，教授，从事输电线路工程研究；电话：0432-64806655；E-mail：juyanzhong@126.com