低温条件下输电铁塔主材节点的强度及其分散性试验

安利强，张海威，江文强，葛永庆



低温条件下输电铁塔主材节点的强度及其分散性试验

安利强，张海威，江文强，葛永庆

(华北电力大学 机械工程系，河北 保定，071003)

为将钢材材料的现有研究成果直接应用在节点的设计上，分别进行输电铁塔材料(139个试样)和节点(216个试样)的低温拉伸试验，并提出一种考虑节点连接滑移时的强度处理方法，对不同温度下材料与节点的强度性能进行研究，依照国家标准研究低温下节点屈服强度的分布规律和统计参数。研究结果表明：低温条件下节点的屈强已经超出一般钢材的屈强比范围0.60~0.75，节点的抗力分项系数均小于规范中钢材材料的参考值，且节点强度设计值普遍超出规范中强度设计值10%以上。建议结合低温条件下节点屈强比的变化规律对节点的抗力分项系数以及屈服强度设计值进行合理取值。

低温；强度性能；主材节点；分散性

在高压输电线路铁塔的建设过程中，为了塔材加工与运输的方便，输电铁塔的角钢构件之间多采用螺栓连接[1−2]。然而，由于螺栓与螺栓孔的存在，势必导致连接件与被连接件之间产生相对滑动，影响整塔刚度和强度性能，从而与钢材材料性能产生差异，难以直接套用材料试验的现有成果对钢材节点的强度性能进行分析。且随着电网建设的不断扩展，应用于寒冷地区的钢材日趋增加，尤其在东北局部地区的最低气温能够达到−45 ℃以下[3]，输电线路铁塔工作环境恶劣，经常遭受大风、覆冰以及脱冰等影响[4−6]，铁塔钢材容易发生低温脆断破坏事故。由于我国当前设计规范中未对低温条件下铁塔角钢的取材进行特别说明，因此，必须对低温条件下铁塔角钢的强度性能进行研究，并给出不同温度下主材节点屈服强度的统计参数，以便给低温地区的铁塔选材提供参考。在一定的温度范围内，随着温度的下降，钢材材料与节点的强度性能逐渐增强，但发展规律不尽相同。王元清等[7−11]通过试验研究了不同厚度高强钢的低温力学性能，发现随试验温度的降低，钢材的屈服强度和抗拉强度均不断增大；LIU等[12−13]在上述试验的基础上，对王元清等[7−11]的研究结论进行了验证，并增加了焊接接头的对比研究。以上学者主要针对钢材材料的低温力学性能进行研究，未对输电铁塔主材角钢进行直接分析，不能直接体现主材节点的低温力学性能。20世纪60年代，PETERSON等[14]对角钢螺栓连接节点进行实验研究，给出了单螺栓连接时节点的极限载荷；MOŽE 等[15−16]针对2种螺栓连接节点进行了系列实验研究，给出了双剪螺栓连接节点的屈服载荷和破坏强度。鄂加强等[17]通过建立兆瓦级风力发电机组螺栓连接处的三维模型，并对螺栓的静力学性能进行分析，提出了螺栓预紧力的取值范围，为螺栓连接的应力强度校核以及疲劳分析提供了参考。然而，输电铁塔主材角钢螺栓连接节点更加复杂，为此，本文作者通过开展低温条件下材料与节点的拉伸试验，分析低温条件下材料与节点强度性能的变化规律以及两者之间屈强比随温度变化的规律对比，并探讨低温条件下节点屈服强度的统计参数，以便为低温地区内输电线路主材节点抗力分项系数的取值提出合理建议。

1 试验概述

为探究低温条件下钢材材料与节点的强度性能变化规律，并对主材节点强度的分散性进行探讨，本文作者开展了钢材材料拉伸试验和输电铁塔主材节点拉伸试验。为方便理解试验内容，对2种试验进行以下简述。

1.1 钢材材料拉伸试验

试验主要研究Q345和Q420这2类钢材材料的低温力学性能，依据GB/T 228—2002“金属材料室温拉伸试验方法”[18]、GB/T 13239—2006“金属材料低温拉伸试验方法”[19]和GB/T 2975—1998“钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备”[20]进行材料试样的加工、取样及试验，材料试样的几何尺寸以及试验后的材料试样结果分别如图1和图2所示。

数据单位：mm

图2 材料试样试验结果

1.2 主材节点真型拉伸试验

试验主要针对Q345和Q420这2类输电铁塔主材节点进行拉伸，研究不同温度下主材节点的强度性能及其统计参数。其中通过低温箱创造低温环境，将主材节点部位置于低温箱之中，并利用低温箱调节试验温度。节点拉伸试验装置、低温箱实物图以及节点拉断试验图分别如图3~5所示。

图5所示节点的破坏形式为角钢断裂，断口区域位于下角钢与包钢底部的最下排螺栓连接处，但包钢与上角钢也存在明显变形。

图3 拉伸试验装置

图4 低温箱实物图

图5 节点拉伸试验图

其中，高低温试验箱的部分技术参数如表1所示。

表1 高低温试验箱部分参数

注：性能参数是在电源电压为380 V，室温为20 ℃，无负荷、无试样条件下测得的。

2 考虑连接滑移的强度处理方法

输电铁塔主材节点的拉伸试验结构包括上、下2支角钢，并通过螺栓与包钢相连。输电铁塔中施加的螺栓预紧力较小，且螺栓与螺栓孔之间存在一定的构造间隙，因此，包钢与角钢较易在螺栓连接处产生相对滑动。且大量真型试验也表明螺栓连接滑移在输电铁塔中极为普遍[21]，因此，不能直接套用钢结构中关于标准试件的拉伸数据处理方法。基于此，本文作者在考虑螺栓连接滑移的基础上对参数进行处理，得到主材节点的强度参数。

2.1 节点拉伸数据的拟合函数

为较好地模拟螺栓连接滑移对连接试件的影响规律，江文强[22]在前人研究的基础上提出一种连接滑移模型，其载荷−位移曲线的函数表达式为

本次拉伸试验通过液压缸控制并实时记录拉伸载荷，且通过拉线式位移计记录各拉伸载荷对应的节点变形量，即构成原始的载荷−位移曲线，如图6所示。由图6可知：通过对式(1)的相关系数进行调整，得到基于式(1)的拟合曲线，且与试验曲线吻合较好，能够替代试验结果进行后续强度参数的处理。

1—试验数据；2—拟合函数。

2.2 强度参数的处理方法

将式(1)分离为描述间隙滑移过程和变形过程的载荷−位移曲线，即认为实际载荷−位移曲线是2条曲线在位移上的叠加，如图7所示。

图7 节点拉伸的载荷−位移曲线

图7中载荷−变形过程表示实际的载荷−位移曲线；间隙滑移过程表示当载荷达到临界滑移载荷时，节点发生滑移，滑移量为0；而变形过程描述的为剔除滑移影响后节点的载荷−位移曲线。

其中描述间隙滑移过程的函数表达式为

描述变形过程的函数表达式为

3 低温对节点强度性能的影响

通过对钢材材料拉伸试验和节点拉伸试验结果进行处理，统计出低温条件下钢材材料及节点的强度性能指标，并对两者强度指标的变化规律进行探讨，对低温环境下节点的应用给出合理建议。

3.1 低温条件下材料及节点的强度指标

材料拉伸试验选择从Q345角钢(肢厚=14 mm)和Q420角钢(肢厚=12 mm)进行取样，在每种温度下分别进行3组试验，计算每次试验的屈服强度、抗拉强度和屈强比，并取3次试验平均值作为该温度下的强度，如表2所示。

表2 材料拉伸试验的强度

节点拉伸试验选择Q345角钢(型号为L125×14)和Q420角钢(型号为L125×12)进行试验，由于试验考虑了螺栓排列形式(单排、双排)、螺栓孔加工方式(冲孔、钻孔)以及螺栓孔直径(16，20和24 mm)对节点拉伸的影响，且每种情况进行了3组试验，因此，每种温度下共有36组试验值。但在实际拉伸试验中有些情况在节点屈服之前螺栓就率先被破坏，因此，无法计算该种情况的屈服强度，导致每种温度下实际统计组数小于36组。根据2.2所述的数据统计方法对试验结果进行处理，得到各温度下节点的屈服强度、抗拉强度以及屈强比，如表3所示。

3.2 低温对节点强度性能的影响规律

根据表2和表3所列不同温度下材料和节点的强度性能指标，分别绘制材料和节点的强度指标随温度的变化曲线，如图8所示。

由图8(a)可知：钢材材料和节点的屈服强度均随温度降低而增大，其中材料的屈服强度随温度降低而变化的幅度较大；Q420钢材材料的屈服强度均大于相应温度下节点的屈服强度，而常温时Q345钢材节点的屈服强度大于材料的屈服强度。

表3 节点拉伸试验的强度

(a) 屈服强度；(b) 抗拉强度；(c) 屈强比

由图8(b)可知：2种钢材材料和节点的抗拉强度均随温度降低而增大，且材料的抗拉强度均大于相应温度下节点的抗拉强度。

由图8(c)可知：Q420钢材材料和节点的屈强比均随温度下降呈先增后减的趋势，其中在−20 ℃时的屈强比最大；与材料的屈强比相比，节点的屈强比较大，这是由于随温度下降，节点的屈服强度与抗拉强度均增大，其中节点的屈服强度变化较小，而抗拉强度变化较大，从而导致节点的屈强比大于相应温度下材料的屈强比。

总体来说，与钢材材料相比，节点的屈服强度及抗拉强度略小，且其屈强比较大，意味着节点的屈服强度与抗拉强度更接近，安全裕度降低，容易导致节点在低温时脆断，不利于输电铁塔的安全运行。

4 屈服强度的分布类型及其分散性

由于实际节点结构中存在着不可避免的加工误差、安装误差以及计算模式误差等，因此，通过节点拉伸试验获取的节点屈服强度的随机性很大，必须在确定屈服强度分布类型的基础上再对屈服强度的分散性进行处理。

4.1 屈服强度的分布类型

以Q420钢材节点在−45 ℃时的屈服强度为例(共计18组数据)，绘制该温度下屈服强度的分布直方图，如图9所示。

图9 屈服强度分布直方图

表4 屈服强度的检验

4.2 屈服强度的分散性

根据“建筑结构可靠度设计统一标准”[23]针对材料强度标准值计算方法的规定，本文采用0.05分位值确定节点的屈服强度标准。

由式(5)和式(6)计算2种钢材节点在不同温度下屈服强度的标准值和统计参数，如表5所示。

5 抗力统计参数及强度设计值

强度设计值直接影响结构构件的极限承载力，过小会使结构的安全裕度偏小，过大会使结构的工程造价偏大。而现有规范仅给出了钢材材料的强度设计值，为此，本文在计算节点抗力统计参数的基础上，从保证结构构件可靠度指标的角度出发，计算节点的抗力分项系数，进而给出不同温度下节点强度设计值的参考值。

5.1 抗力统计参数

根据DL/T 5154—2002“架空送电线路杆塔结构设计技术规定”[24]，考虑公式的计算误差时，杆塔构件轴心受力时的抗力可以表示为

表5 节点屈服强度与抗力的统计参数

根据上述变量的统计参数以及表5所列节点强度的统计参数，结合式(8)和式(9)可计算不同温度下节点构件抗力的统计参数，如表5所示。

5.2 节点屈服强度的设计值

根据可靠度指标的定义，可知

式(10)可转化为

其中：

工程设计中经常以抗力和的标准值K和K作为计算对象：

根据上述关系，式(11)可以转化为

由表5可知：Q345钢材节点在−20 ℃时的抗力分项系数最大为1.091，小于该类型钢材材料抗力分项系数的规定值1.113，对应的强度设计值最小为 345.48 MPa，较规范中钢材材料的规定值310 MPa依然超出11.45%。

而Q420钢材节点在20 ℃时的抗力分项系数最大为1.052，小于该类型钢材材料抗力分项系数的规定值1.105，对应的强度设计值为418.82 MPa，较规范中钢材材料的规定值380 MPa依然超出10.22%。

当不考虑低温下屈强比增大的影响时，与规范对钢材材料的相关规定值进行对比，节点抗力分项系数的减小以及强度设计值的增大均说明节点的强度设计较规范的规定之间依然存在一定的安全裕度。

结合3.2节所述，低温条件下节点的屈强比较大，已经超出一般钢材的屈强比范围0.60~0.75，屈强比的增大势必导致主材节点安全裕度的大幅降低。由于 表5中低温条件下节点抗力分项系数的选取未考虑低温时节点屈强比增大的影响，为保证低温地区输电塔的安全运行，防止节点发生低温脆断，建议在表5所述的抗力分项系数的基础上适度提高抗力分项系数。

6 结论

1) 提出一种考虑节点连接滑移时的强度处理方法，可有效剔除连接滑移的影响，进而求解节点的强度性能指标。

2) 节点拉伸试验得到的屈服强度基本满足正态分布规律，并给出了低温条件下强度及抗力的统计 参数。

3) 节点的抗力分项系数均小于规范中钢材材料的参考值，且节点强度设计值普遍超出规范中强度设计值10%以上，说明不考虑屈强比影响时节点的强度设计较规范规定之间依然存在一定的安全裕度。

4) 随温度下降，节点的强度性能有所提高，但其屈强比总体呈现先增后减的趋势，在低温条件下屈强比增大，容易导致节点低温脆断，安全裕度降低，建议在本文所求低温条件下节点抗力分项系数的基础上适度提高抗力分项系数。

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(编辑 刘锦伟)

Experimental study of strength and dispersion of main joints on transmission tower in low temperature

AN Liqiang, ZHANG Haiwei, JIANG Wenqiang, GE Yongqing

(Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to apply the current research of steel materials to the design of the bolt joints in transmission tower, tensile tests of materials (139 specimens) and joints (216 specimens) in low temperatures were conducted respectively. And a calculated method of strength properties considering the bolt slippage was presented. The strength and the variation characteristics of steel and joints under different temperatures were studied. According to the national standards, the distribution and statistical parameters of joint yield strength were also researched in low temperatures. The results show that the yield to ultimate ratio of the joint under low temperature conditions exceeds the usual range of steel material 0.60−0.75; the resistance partial factors of the joints are less than the reference value of the steel material, and the design value of joint strength exceeds the standard specification by 10% generally. The design value of yield strength and resistance partial factor should be selected based on the change of yield ratio of main joints in low temperatures.

low temperature; strength property; main joints; dispersion

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.032

TU511.3

A

1672−7207(2018)09−2356−09

2017−09−05；

2017−11−09

国家自然科学基金资助项目(51675179)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014ZD36) (Project(51675179) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014ZD36) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China)

安利强，博士，副教授，从事输电线路工程及风力机设计的教学和研究；E-mail: alq2146@163.com