特高压输电塔KK型节点受力性能有限元分析

陈怡宏，黄海斌，张意，雷运波，王平，颜婷莎

（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2后勤工程学院军事建筑工程系，重庆 400042）

0 引言

目前，对于特高压输电塔格构式K型腹杆系结构受力性能的研究尚未成熟，所以在特高压输电塔结构的设计中一般仍将实际中的半刚性连接节点当作铰接或刚接来考虑，从设计上来说不合理且可能有安全隐患。因此，本文对输电塔结构中常用K型节点的受力性能进行分析，显得十分有意义。李茂华[1]进行了我国第一基SZT2特高压双回路钢管塔真型试验，实测结果显示部分主材构件的实测应力大于计算应力，试验分析结果表明，塔身主材最大次应力已达到轴力应力的30%。杨靖波[2]以1000kV淮南-上海（皖电东送）输变电工程特高压同塔双回路钢管塔为分析对象，分别采用杆单元、梁杆混合单元和梁单元建模计算，计算分析表明现行的铁塔设计通用程序的杆单元计算模型不能反映主材杆端弯矩的影响，计算应力偏小，建议采用梁杆混合单元模型进行设计。帅群[3]对1000kV特高压输电钢管塔SZ2U进行真型试验，研究表明，对特高压输电塔结构而言，K型节点处主材的次应力效应显著，应当建立考虑节点板刚度的梁杆单元有限元模型进行分析。针对以上研究情况，考虑节点对杆件的受拉性能影响显得尤为重要。因此开展节点的受力性能研究十分必要。本文针对特高压输电塔中无偏心无环形加强板KK型节点进行有限元分析，得到KK型节点承载力的主要影响因素及相应的影响程度。

1 有限元建模参数选择

为准确模拟节点受力性能，采用实体单元模拟角钢（钢管）、节点板和螺栓，引入接触单元来模拟角钢（钢管）、节点板和螺栓之间的接触。为简化起见，斜材仅考虑轴力作用，斜材轴力线的交点和螺栓群形心之间不存在偏心。材料的本构关系如图1所示。角钢-节点板连接半刚性节点中4个部分可能存在接触关系：节点板和各角钢接触，螺帽和节点板接触，螺帽和各角钢接触，螺杆和各角钢孔壁以及节点板孔壁接触。KK型节点的上部两支管受轴向压力作用，下部两支管受轴向拉力作用，此种情况为节点的最不利受力模式，对于各支管上所施加的轴向作用力的大小均相等。此外，为了消除端部加载条件对节点区域的影响，主管长度取8倍的管直径，支管长度取3倍的管直径。接触面分为接触面和目标面，其中接触面选用CONTA174单元，目标面选用TARGE170单元。考虑到实际工程的要求和节点的受力状态，采用壳单元建立ANSYS有限元模型见图2。计算简图如图3所示。

图1 本构关系

图2 KK型节点有限元模型图

图3 KK型节点计算模型

2 参数分析

影响节点极限承载力的主要几何参数有：主管直径D、主管管壁厚度t、节点板高度B、两块节点板之间的夹角β等。通过大量参数分析来研究KK型节点受各参数的影响程度。对于实际输电钢管塔结构中的空间KK型管板连接节点，夹角β的常用角度在90°≤β≤180°之间。通过有限元分析，发现此夹角角度范围内的各节点的极限承载力虽然有所差异，但基本相差不大。所以，在建立钢管塔KK型管板连接节点的极限承载力计算公式时，不考虑将夹角β作为一个独立的变量因子引入到建议计算公式中，均以最常用的夹角β=90°的节点有限元模型的计算结果作为基准。

（1）夹角β对节点极限承载力的影响

本节选取D=273mm的空间KK型节点，讨论不同的D/t和B/D情况下，节点的极限承载力随夹角β的变化规律，计算结果如图4所示。

图4 夹角β对KK型节点极限承载力的影响

从图中可以看出，在空间KK型节点的夹角β从30°增加180°的过程中，节点的极限承载力呈现先增大后减小，再基本保持不变的发展趋势。夹角β=30°时，节点的极限承载力最小；夹角β=60°时，节点的极限承载力最大；夹角β在90°≤β≤180°之间时，节点的极限承载力基本不变或稍有减小。

（2）主管径厚比D/t对节点极限承载力的影响

本节选取D=219mm、273mm、325mm的空间KK型节点，讨论节点的极限承载力随D/t的变化规律，计算结果如图5所示。

图5 主管径厚比D/t对节点极限承载力的影响

从图中可以看出，D/t对节点承载力的影响是十分明显的，随着D/t的减小，节点的极限承载力几乎呈指数形式增加。

（3）节点板高度与主管直径之比B/D对节点极限承载力的影响

本节选取D=273mm的空间KK型管板节点，讨论节点的极限承载力随B/D的变化规律，计算结果如图6所示。

图6 B/D对节点极限承载力的影响

从图6中可以看出，节点的极限承载力随着B/D的增大呈线性增加，但B/D的增加对节点承载力的提高作用十分有限。在实际输电钢管塔结构中，管板连接节点上节点板的高度一般是由构造确定的，所以在工程设计中对节点板高度的取值应设定在一个合适范围内，能够满足各支管的连接需求即可。

（4）主管的轴向应力比η对节点极限承载力的影响

首先选取D=273mm、t=8mm、B/D=2.6的节点，讨论平面K型节点和夹角β=90°的空间KK型节点，分别在主管承受轴向拉力或轴向压力作用时，节点极限承载力的影响变化情况，所得计算结果如图7所示。

图7 η对K型节点和KK型节点极限承载力的影响

从图7中可以看出，当主管受压时，随着主管压应力比的增大，KK型节点的承载力出现了显著地降低；当主管受拉时，随着主管拉应力比的增大，节点的极限承载力仅有微小幅度提高，约在2%～4%左右，当拉力过大时，节点极限承载力又会出现小幅下降。总体而言，主管受拉对节点承载力的影响较小，可忽略主管受拉对节点承载力的影响。下面讨论不同D、t、B/D主管时，η对节点承载力的影响。

从图8中可以看出，随着η的增大，节点的承载力均出现了较明显的下降，所以在工程设计中必须考虑主管轴向压力对节点极限承载力的不利影响。

图8 η对KK型节点极限承载力的影响

3 结论

根据对无偏心无环板KK型节点进行有限元分析，得到如下结论。

（1）夹角β在90°≤β≤180°之间时，节点的极限承载力基本不变或稍有减小。

（2）D/t对节点承载力的影响是十分明显的，随着D/t的减小，节点的极限承载力几乎呈指数形式增加。

（3）节点的极限承载力随着B/D的增大呈线性增加，但B/D的增加对节点承载力的提高作用十分有限。在实际输电钢管塔结构中，管板连接节点上节点板的高度一般是由构造确定的，所以在工程设计中对节点板高度的取值应设定在一个合适范围内，能够满足各支管的连接需求即可。

（4）随着主管的轴向应力比η的增大，节点的承载力均出现了较明显的下降，所以在工程设计中必须考虑主管轴向压力对节点极限承载力的不利影响。

[1]李茂华，董建尧，杨靖波，等.特高压双回路钢管塔真型试验[J].中国电机工程学报，2009（34）:102-107.

[2]杨靖波，韩军科，李茂华，等.特高压输电线路钢管塔计算模型的选择[J].电网技术，2010（1）:1-5.

[3]帅群，邓洪洲，李琳，等.特高压输电钢管塔主材次应力分析[J].建筑结构学报，2012（33）:109-116.