架空输电线路角钢塔单双角钢连接节点设计

崔顺心

益阳电力勘测设计院有限公司 湖南益阳 413000

近些年来电力行业有了较为显著的突破和发展，特别是我国的特高压输电方面，输电铁塔无论是空间尺寸还是荷载水平都在不断扩大，导致大规模角钢也不能很好的适应铁塔塔身主材所产生的受力，因此常常需要设计一定的单双角钢连接节点，在单肢角钢下端运用双拼角钢主材。通常在铁塔内，单双角钢过渡节点发挥着不可忽视的效能，是受力的关键，会对铁塔整体结构的变形特性和受力特性产生直接影响，关系到铁塔稳定性[1]。

1 单双角钢节点板受力分析

1.1 水平节点板宽度设计

在确定水平节点板宽度时可让其和过渡节点上所设计的十字靴板同宽。通常而言，主材角钢肢的宽度、水平构件与斜向的连接角度与连接长度、靴板的厚度均会对过渡节点十字靴板的宽产生一定程度地影响。为此在设计的过程中，十字靴板的输入条件是节点处构造要求以及各向杆件的内力要求，必须要加以重视。依据有关的技术指标进行杆件连接长度的核算，参照杆件和纵向节点板搭接核算状况，即首先核算纵向节点板的宽，之后联系螺栓的具体数目和构造的间隔距离核算搭接的具体长度。为此，对靴板厚度进行嘉假定，其取值范围为tm+2mm，tn,其中，tm表示为最大斜材肢厚，tn表示主材肢厚，连接节点水平节点板块的实际设计流程如图1所示。

图1 水平节点板宽设计流程

1.2 水平节点板厚度设计

根据强节点弱构件原则，当拉力形成一定负载时，过渡节点被毁应当在强度较小而且所受力量比较集聚的主材上出现，一般而言，下端双角钢强度要比上端单角钢截面强度大，为此在单角钢主材的地方会出现毁坏问题。为此，在单角钢主材受力的情况下，可把水平节点板与十字靴板当做制约界限。在不考虑加劲板所产生的影响，以下十字靴板为基础来划分水平节点板，共分成四个区域，在各个具体的区域，皆能够视为直角边支承、剩下边自主的承担面外负载的区隔板。当上端负荷从单角钢处传播二至，能够把其视为十字靴板水平截面的负荷分散情况。在该截面中没有通过A部分区域，因此可以认为该区域没有荷载直接产生作用，面外荷载为零。

根据过渡节点受力的原理来进行分析，利用螺栓群的功能，拉力自单角钢处开始向外散发。通过弯曲强度对横向节点板进行管控，此是单双角过渡节点的主要枢纽，同时也是把负荷自上端传输至下端的构件。在连接节点传输负荷的过程中，由于上部和下部靴板形心会发生一定的偏移，因此水平连接板会产生一定的弯曲应力，在本文中将弯曲应力作为控制因素来对水平连接板厚度进行计算。基于应力扩散传输原理，在靴板由横向节点板传输过程中，应力并非顺着靴板宽匀称分散。在靴板的地方进行传输时，应力先自螺栓孔两端向外扩散，之后再朝着横向节点板方向分散。在扩散期间最好将角度确定为30度。为此应力在这个扩散长度中呈现为集聚态势，为此应力数值较高，而超出该范围后靴板传力变弱，应力分散，因此应力值也变小。在靴板的上下交汇处，靴板竖向连续，因此会有较为明显的应力集中。同时该部位也是应力控制截面，在设计中，首先要架设该部应力满足设计屈服应力。根据上述内容，对靴板应力扩散范围进行分析计算。先是把强化长度界定成L。依据分布的差异，在改长度内适当强化考虑，计算式为：

式中h1代表的是主材角钢螺栓的具体高度，q0代表的是靴板布线负载，q代表的是强化范畴内布线负载，f代表设计的力度，F代表的是单角钢拉力设定数值，B代表中间节点板的具体宽度尺寸，t1、t2代表上靴板和下靴板的具体厚度尺寸。

在D区域板中，可以看做是一个能够成熟矩形分布局部荷载的板，其直角边发挥支撑功能，剩余边处于自由形态，在切角位置所受力量有限，能够节省用料，对板厚所产生的影响特别小。在图3的状况下，若板边长产生变动，条状分布负荷并不会表现为二维的变动，仅是在长度方面出现变动，为此支撑边弯矩和L间呈现为线形关系。为了使得量纲能够匹配，要将均布荷载转换为线荷载，根据以下公式来计算水平节点板厚以及弯曲应力：

式中M代表的是支承边的线弯矩的具体数值，α代表的是内力系数，依据有关信息可以得知，L代表的是靴板应力传输距离，q代表的是强化长度内布线负荷。

关于α系数的数据的确定依托仿真模拟构建相对应的差值区间，需要确保在过渡节点的地方单角钢与双脚钢的中心线处于相同位置，为此上十字靴板与下十字靴板间所错开的距离，即条状负荷和支承边距离处在恰当范畴，为此可采用查表差值的方式对α系数的数值进行明确。依据(2)式能够得到α的等式为：

构建相应的临边支承板模型，确定条状负载距离Y至边长的间距是（0.08 ～ 0.2）b。

将条状负载施加到板的各个加载处，然后核算支承边所受的具体力量情况。可将荷载的数确定为100MPa，宽度20mm，可将等效均布线负荷确定为2000N/mm，L=500mm，t=50mm。

同时可以看出，支承边界的最大应力与线荷载距离之间具有现象关系，因此固定好上部靴板尾椎后，最大应力与强化长度L成正比，因此（2）式合理。

2 理论计算与有限元验证

2.1 节点模型

在某输电铁塔过渡节点角钢主材距离来说，双角钢截面2∟250×24H，单角钢截面为∟280×35。本文注重研究水平节点板设计，根据强节点弱构件原则，因此下十字靴板厚度取为24mm，上十字靴板厚度为36mm。假设焊缝和罗山具有足够的连接强度，同时忽略连接破坏。

2.2 理论计算

以螺栓布置情况为基础，单角钢螺栓高度h1=540mm，因此L=624mm。B、D区具有390mm的强化长度。在计算中假设塔脚板厚度不小于35mm，取f=265MPa，支承边与荷载中心之间的距离为78mm。在B、D区隔板长度为590mm，间隔距离比为0.132，查表可知α=0.1098。依据上述数值，各轴拉负荷核算的横向节点板厚度数值见表2。

表2 不同拉力作用下水平节点板板厚算式计算值

2.3 有限元验证

运用ABAQUS构建有限元的框架模型，节点板的规格与靴板的规格。单双角钢节点有限元模型的建立方法和分析方法为：

（1）运用S4R模型单元，即对剪切效应的四节点二次单元进行综合考量，若有十分严重的扭曲状况，这个单元可防止剪切自锁问题的产生。

（2）把铰链制约设定在双角钢底端，节点模拟设定成静定架构。

（3）依照图纸对靴板的螺栓孔与角钢进行设计，运用刚性伞域仿真方式。

（4）运用静力通用剖析方式，另外应当关注材料自身的特点与几何非线性特点。

（5）应持续调节横向节点板的具体厚度，得出拉力负载各异状况下出现塑性应力之前横向节点板的具体厚度，详情见表3所示。

表3 不同拉力作用下水平节点板板厚有限元计算值

3 结语

本文根据过渡节点的受力原理，毁坏原理和有关设计标准确定了节点板的设计方式和计算方式。基于板壳理论将α系数引到其中，同时深入考量十字靴板的制约功能和过渡节点应力集聚和所受力量不均匀的作用。