输电线路十字组合角钢主材拼接性能分析

高渊，韩军科，李清华

（中国电力科学研究院，北京市 100192）

0 引 言

十字组合角钢作为主材在220kV及以上输电线路铁塔中应用广泛，但相关研究不完善，仅局限于填板设计及承载力研究［1－3］。2008年，埃塞俄比亚电力公司与上海输配电股份有限公司设计的400kV和230kV十字组合角钢塔在中国电力科学研究院进行了真型试验。试验后发现十字组合角钢主材的试验承载力与理论设计值偏差较大，多次出现受压主材未达到理论破坏荷载就发生失稳屈曲破坏的情况，塔腿下端表现更为明显。试验数据表明，主材内外角钢受力不均匀，塔腿根部主材节间内外角钢协调受力相对更差，这种受力不均匀性使十字组合角钢主材的承载能力降低。

1 总体分析

为有效解决上述存在的问题，本文将十字组合角钢旋转90°后与塔身侧面斜材连接，拼接形式如图1所示。为方便区分十字组合双拼角钢的2种拼接形式，规定图1（a）所示为单角钢拼接十字组合角钢塔，图1（b）所示为双角钢拼接十字组合角钢塔。2种拼接形式主材构件编号见图1。

根据惯性矩平行轴定理［4］，2种拼接形式主材截面惯性矩计算如下：

图1 十字组合双拼角钢布置Fig.1 Arrangement of cross－section combined double－angle steel splicing

式中：Ix0为十字双拼截面对其平行形心轴x0的惯性矩；Iy0为十字双拼截面对其平行形心轴y0的惯性矩；A为十字双拼角钢净截面面积；k为塔身横断面主材轴线间宽度。

Ix1＝Ix2，Iy1＝Iy2（Ix1，Iy1对应单角钢拼接方式塔，Ix2，Iy2对应双角钢拼接方式塔），2种拼接形式塔截面惯性矩一致，主材计算长度亦一致。单从主材截面特性及计算长度无法判断2种拼接方式的优劣，有必要考虑主材与斜材相连接后其整体传力协调性的优劣。

2 算例分析

本文选取500kV双回路通用输电铁塔，杆塔呼称高H为66.0m，总高为94.1m。铁塔主材材料为Q420角钢（2L160×14、2L180×16），采用双拼十字组合截面，斜材及填板（十字焊）为Q345钢或Q235钢。比较十字组合角钢不同拼接形式铁塔结构的受力特点，并计算其极限荷载，以确定实际工程中采取何种拼接形式受力更合理，更节省材料。铁塔建模采用多尺度模型［5－6］，壳体部分主材、塔脚板及其上节点板均用SHELL181壳单元模拟，螺栓连接用耦合模拟，梁杆部分主材用BEAM4单元模拟，斜材用LINK8单元模拟，主材与斜材连接于主材处节点板上，壳体与梁杆刚域连接。SHELL181壳单元适合模拟中小厚度壳结构，具有应力刚化及大变形功能，有强大的非线性功能。材料采用多线性随动强化模型MKIN，按实测材料强度曲线取值，考虑钢材的包兴格效应［7－8］。

荷载工况取直线塔最不利荷载工况即60°大风工况［9］。由工程设计经验可知塔身变坡处及接腿处杆端弯矩最大，故多尺度模型中塔身部分变坡节间及接近接腿处节间主材采用壳体建模，其余部分均采用梁杆建模，另外，接腿处单独建多尺度模型。有限元模型如图2所示。接腿有限元模型分2种：等高接腿段（9.0m），高低接腿段（9.0m／4.5m）。为比较2种不同拼接形式十字组合角钢主材塔的受力合理性，每种模型均建2种不同拼接形式，除主材布置形式不一样，其他条件包括材料、规格和空间位置等均相同，另约束条件和荷载工况亦相同，单元网格划分尺寸控制等均一致。

图2 有限元模型图Fig.2 Finite element model

多尺度计算模型共6个，有限元计算结果如下。

2.1 整塔

2种拼接形式整塔60°大风工况下其整体Von Mises应力云图如图3所示。壳体部分主材构件最大应力及轴力见表1。双角钢拼接塔最大应力出现在变坡处节间L0Z构件上，为369MPa；单角钢拼接塔最大应力出现在变坡处节间L0N构件上，为377MPa。2种拼接方式最大应力百分比为97.88%。

图3 整塔Von Mises应力云图Fig.3 Von Mises stress nephogram of tower

2种不同拼接方式同编号腿主材两组合角钢的最大应力和轴力百分比见表2。

由于在实际工程中，最大受力主材起控制作用，同时受压比受拉更易导致主材破坏，这里2种连接形式均以0号腿的受力状态做参考（0号腿为最大受压腿）。从表2可以看出，在塔身部分，双角钢拼接方式同编号腿主材两组合角钢的受力均匀性明显优于单角钢拼接方式。最大应力控制截面上，双角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差分别为11.7%及0.7%（分别对应变坡处节间主材及接腿上节间主材），而单角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差分别为20.2%及0.8%，双角钢拼接方式明显优于单角钢拼接方式。

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从壳体部分主材上截取4个轴向水平截面（如图4所示），以各截面两构件角钢顶点位移和的平均值为位移标准参考值，得出各截面构件翼缘位移相对值见表3。从表中可以看出单角钢拼接塔主材内、外角钢位移不协调，刚度分布不均匀（内角钢刚度大）；而双角钢拼接塔主材两组合角钢位移协调性较好，刚度分布较均匀，双角钢拼接塔主材位移的协调性明显优于单角钢拼接塔。

2.2 等高腿接腿段

等高腿接腿段60°大风工况下其整体Von Mises应力云图如图5所示，从图中可以看出主材应力最大点并不是发生在螺栓应力集中处（应力最大部位并未出现在螺栓连接区域）。双角钢拼接接腿段与单角钢拼接接腿段主材截面最大应力均出现在0号受压腿上，且均接近塔脚板位置。其中双角钢拼接接腿段最大应力出现在L0H构件上，单角钢拼接接腿段最大应力出现在L0N构件上，双角钢拼接形式比单角钢拼接形式主材截面上应力分布更均匀。

图5 Von Mises应力云图Fig.5 Von Mises stress nephogram

从表4可以看出双角钢拼接接腿段主材的最大应力比单角钢拼接接腿段主材的最大应力平均要小10.79%，其整体最大应力比单角钢拼接接腿段整体最大应力小1.75%。双角钢拼接接腿段主材受力比单角钢拼接接腿段主材受力更均匀。

表4 主材构件最大应力及轴力（等高腿接腿段）Tab.4 Maximum stress and axial force of main component with the same height legs

2种不同拼接方式同编号腿主材两组合角钢的最大应力和轴力百分比见表5。

以0号腿的受力状态做参考（0号腿为最大受压腿），从表5可以看出双角钢拼接0号腿主材双角钢受力更均匀（99.33%），单角钢拼接0号腿主材双角钢受力均匀性稍差（98.86%）。双角钢拼接0号腿主材轴力均匀为99.93%，而单角钢拼接0号腿主材轴力百分比为97.80%，不是很均匀。最大应力控制截面上，双角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差0.7%，单角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差3.3%，因而双角钢拼接方式优于单角钢拼接方式。

表5 同编号腿主材最大应力及轴力百分比（等高腿接腿段）Tab.5 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg（same height legs） （%）

2.3 高低腿接腿段

高低腿接腿段60°大风工况下其整体Von Mises应力云图如图6所示。

图6 Von Mises应力云图Fig.6 Von Mises stress nephogram

从表6可以看出双角钢拼接接腿段主材整体最大应力比单角钢拼接接腿段整体最大应力小6.33%。双角钢拼接接腿段主材受力比单角钢拼接接腿段主材受力更均匀。

表6 主材构件最大应力及轴力（高低腿接腿段）Tab.6 Maximum stress and axial force of main components with different height legs

2种不同拼接方式同编号腿主材两组合角钢的最大应力和轴力百分比见表7。

同样，只考虑0号腿的受力状态做参考。从表7可以看出双角钢拼接形式（95.65%，96.47%）较单角钢拼接形式（94.10%，94.51%）受力均匀。最大应力控制截面上，双角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差4.7%，单角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差13.7%，双角钢拼接方式明显优于单角钢拼接方式。

表7 同编号腿主材最大应力及轴力百分比（高低腿接腿段）Tab.7 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg（different height legs） （%）

3 结论及建议

（1）双角钢拼接方式塔身主材受力均匀性优于单角钢拼接方式。最大应力控制截面上，双角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差分别为11.7%及0.7%（分别对应变坡处节间及接腿上节间主材），而单角钢拼接方式两组合角钢的最大应力相差分别为20.2%及0.8%，双角钢拼接方式明显优于单角钢拼接方式。

（2）单角钢拼接塔主材内角钢与斜材相连接，外角钢不直接与斜材相连接，内、外角钢刚度分布不均匀（内角钢刚度大）。而双角钢拼接塔主材的两组合角钢分别与各自一侧斜材相连接，刚度分布均匀。塔架受力后，单角钢拼接塔内角钢受力比外角钢大，主材受力分布不均匀。而双角钢拼接塔传力协调性好，两组合角钢受力基本一致，承载能力较单角钢拼接塔高。

（3）接腿部分主材受力均匀性，双角钢拼接方式优于单角钢拼接方式，非等高腿表现尤为明显，其最大应力控制截面上2种拼接方式主材的最大应力相差分别为4.7%和13.7%。

（4）考虑到实际工程中铁塔结构螺栓孔径一般都要比螺栓直径大1.52.0 mm［10－11］，塔架受力后，单角钢拼接塔主材可能会发生非同步滑移（内外角钢刚度分布不均匀，造成受力不均匀），加剧其主材受力不均匀性。由于实体建模的复杂性和不确定性，本文数值模拟没有计入螺栓滑移所带来的影响。

（5）本文仅限于理论分析和数值模拟，结论有待试验进一步验证。

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