加过渡段输电塔塔腿横隔面节点受力分析

朱诗羽，高一然，邓洪洲，赵庆斌

（1.同济大学，上海 200092；2.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016）

0 引言

近年来，我国山区输电线路增多［1］。自立式输电塔属于柔性结构［2］，若山区立塔采用常规高低腿，对陡峻山区基础进行改造的大开挖方式，如图1（a）所示，不仅增加施工成本和建设周期，同时也破坏植被、环境。陡峻山区中很多塔位坡度已经达到50°以上，为解决陡峻山区立塔困难的问题，将输电塔塔腿采用过渡段连接设计，如图1（b）所示，可减小基坑开挖量以及塔基降方量，方便施工，降低成本，同时降低对环境的影响。

图1 输电塔

很多学者对平腿输电塔塔腿节点的受力性能进行了研究，吴静［3］采用有限元法，研究发现节点板的长度和腹杆与弦杆的夹角对节点极限承载力的影响。洪洲澈等［4］研究主材考虑次弯矩作用的输电钢管塔腿主材，按照压弯构件计算。帅群等［5］指出如输电塔的塔脚节点在节点区域以外，塔身的弯矩全部由钢管截面承担，在环板以下的节点区域，塔身的弯矩变成由钢管截面、环板、节点板以及肋板共同承担。但是以上研究并没有对内侧杆件存在偏心的节点进行分析，对此类节点进行研究，可以解决工程中加过渡段输电塔塔腿横隔面节点的设计问题。

DL／T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》规定［6］输电塔设计时塔腿主斜材间夹角不应小于15°。而塔腿采用过渡段连接时，两条塔腿过渡段会出现内侧杆件夹角小于15°的情况，两根过渡段内侧杆件轴线很难交于一点，需要将两根杆件向两侧偏移，产生偏心距，由此产生了附加弯矩，因此有必要对横隔面和过渡段内侧杆件连接处的节点进行分析。

横隔面上一段塔身有的存在倒K型斜材设计，有的是直接采用交叉材，没有倒K型斜材。有倒K型斜材时横隔面和塔腿斜材的轴力较没有倒K型斜材时要大，但对于含过渡段塔腿的输电塔来说，含过渡段塔腿和不含过渡段塔腿的长度差异比较大，因此塔身两侧的刚度差异也比较大，横隔面受力较平腿和常规高低腿输电塔大。

在成兰铁路阿坝松潘牵引站供电工程中，以500 kV转角塔SJC3和220 kV转角塔SJC1的过渡段横隔面节点为研究对象，通过输电塔内力分析软件TTA和有限元分析软件ANSYS分析过渡段横隔面节点的受力性能，对节点构造进行研究，并总结出适用于该类节点的计算公式，并对横隔横杆是否应插入过渡段和塔腿斜材间进行分析。

1 有限元模型的建立

在有限元分析软件ANSYS中建立节点模型，杆件采用角钢构件，在TTA模型中查询两模型含过渡段长腿组合中该节点相关杆件的最大内力，并由此计算各杆件的螺栓配置并放样，500 kV转角塔SJC3过渡段横隔面节点如图2（a）所示，220 kV转角塔SJC1过渡段横隔面节点如图2（b）所示。

在TTA模型中查询SJC3和SJC1的所有塔型和含过渡段长腿组合中该节点相关杆件的最大内力，将最大内力对应的关键点荷载导入ANSYS中，查得该情形下的杆件内力方向及分配比例，SJC3杆件内力方向及加载比例如表1所示，SJC1杆件内力方向及加载比例如表2所示，施加额定荷载为25 kN，其中正值代表拉力，负值代表压力。

图2 横隔面节点

表1 SJC3横隔面节点加载比例

表2 SJC1横隔面节点加载比例

采用shell181单元［7］在ANSYS中建立过渡段横杆和节点板模型，并采用目标单元targe170和接触单元conta173建立横杆和节点板的接触对，塔身斜材和横隔面材及其他辅材均采用Q345钢，抗拉强度标准值 fy=345 MPa，弹性模量 E=2.06×105N／mm2。 接触摩擦系数取0.35，模型中横杆长度取总长度一半，横杆下端按固定支座考虑，上端按横杆轴线有位移的滑动支座考虑，建立的有限元模型如图3～4所示。

图3 SJC3横隔面节点有限元模型

图4 SJC1横隔面节点有限元模型

2 受力性能分析

2.1 SJC3横隔面节点（横隔面上无K型斜材）

1）偏心距对该节点承载力的影响。

在研究偏心距对该节点承载力的影响前，首先试算一下没有偏心的情况，此时，需要把节点板长度增大到两根过渡段内侧杆件上的螺栓孔可以摆放开，有限元分析的应力云图如图5所示。

图5 SJC3横隔面节点无偏心情况下的应力云图

可以看出，由于过渡段内侧杆件间夹角很小，间距较近，方向相反，对节点板有剪切作用，其破坏模式为过渡段内侧杆件附近的节点板应力很大而发生破坏，此时荷载为814 kN，为设计荷载的1.94倍。

研究极限承载力受偏心距影响时，只更改偏心距，以偏心距为140 mm为例，分别提取横杆加载端a1、过渡段内侧杆件加载端b1，b2处的时间步和位移并绘出荷载—位移曲线，如图6所示。

图6 偏心距140 mm时各杆件荷载位移曲线

从图6可以看出，3处的荷载位移曲线终点值位移值已经很大，不能作为达到极限承载力状态，根据相关资料，可以认为位移增量很大但荷载增量很小时节点达到极限承载力，上述3条曲线位移突然增大的点的荷载步几乎相同，此时的荷载577.5 kN为设计荷载的1.38倍，应力状态如图7所示。

图7 SJC3横隔面节点在设计荷载1.38倍时的应力云图

从图7中可以看出，在该时间步时，横杆上的应力已经由于偏心距产生的弯矩变得很大了，已几近产生塑性铰，取图8中所示的应力状态对应的荷载作为该节点在这种情况下的承载力状态。

图8 SJC3横隔面节点在设计荷载1.04倍时的应力云图

以b1杆为例，该杆的设计荷载值为420 kN，这种情况中的承载力值为435 kN，为设计荷载的1.04倍。采用类似的分析方法，将不同偏心距的极限承载力列于表3。

表3 SJC3横隔面节点在不同偏心距下的承载力

可以看出，随着偏心距的增大，节点的极限承载力降低，当达到该节点的设计偏心距140 mm时，该节点的承载力为设计荷载的1.04倍。

2）杆件角钢规格对该节点承载力的影响。

在偏心距为140 mm、节点板厚为14 mm不变的前提下，更改横杆的角钢规格，并将结果列于表4。

表4 SJC3横隔面节点角钢规格变化的承载力比较

可以看出，增大角钢规格是提高节点承载力的一种方法，角钢每增厚2 mm，承载力增加10%左右。

3）节点板厚对该节点承载力的影响。

在偏心距为140 mm、横杆角钢规格为110 mm×10 mm不变的前提下，更改节点板厚，并将结果列于表5。

表5 SJC3横隔面节点厚度变化的承载力比较

可以看出，增大节点板厚是提高节点承载力的一种方法，节点板每增厚2 mm，承载力增加6%左右。

4）横杆计算长度对该节点承载力的影响。

SJC3横隔横杆在中点有支撑，在偏心距为140 mm、横杆规格为110 mm×10 mm、节点板厚为14 mm不变的前提下，改变横杆计算长度，对比中点有无支撑的横杆承载力，并将结果列于表6。

表6 SJC3横隔面节点横杆计算长度的承载力比较

可以看出，在横杆中点加支撑是提高节点承载力的一种方法。

2.2 SJC1横隔面节点（横隔面上无K型斜材）

1）偏心距对该节点承载力的影响。

与SJC3研究方法相同，在研究偏心距对该节点承载力的影响前，首先试算一下没有偏心的情况，此时，两根过渡段内侧杆件上的螺栓孔距离很近，实际情况中两根杆件是不能摆开的，这里只是为了方便研究，有限元分析的应力云图如图9所示。

可以看出，由于过渡段内侧杆件间夹角很小，间距较近，方向相反，对节点板有剪切作用，破坏模式为过渡段内侧杆件附近的节点板应力很大而发生破坏。

图9 SJC1横隔面节点无偏心情况下的应力云图

研究极限承载力受偏心距影响时，只更改偏心距，并通过荷载位移曲线判断承载力状态。采用类似的分析方法，将不同偏心距的极限承载力列于表7。

表7 SJC1横隔面节点在不同偏心距下的承载力

可以看出，随着偏心距的增大，节点的极限承载力降低。

2）杆件角钢规格对该节点承载力的影响。

在偏心距为90 mm、节点板厚为10 mm不变的前提下，更改横杆的角钢规格，并将结果列于表8。

表8 SJC3横隔面节点角钢规格变化的承载力比较

可以看出，增大角钢规格是提高节点承载力的一种方法。

3）节点板厚对该节点承载力的影响。

在偏心距为70 mm、横杆规格为110 mm×8 mm不变的前提下，更改节点板厚，并将结果列于表9。

可以看出，增大节点板厚可以大幅度提高横隔面上无K型斜材节点的承载力，节点板每增厚2 mm，承载力增加50%左右。

表9 SJC1横隔面节点厚度变化的承载力比较

4）横杆计算长度对该节点承载力的影响。

SJC1横隔横杆在中点无支撑，在偏心距为70 mm、横杆规格为110 mm×8 mm、节点板厚为10 mm不变的前提下，改变横杆计算长度，对比中点有无支撑的横杆承载力，并将结果列于表10。

表10 SJC1横隔面节点横杆计算长度的承载力比较

可以看出，在横杆中点加支撑是提高节点承载力的一种方法。

5）卷边对该节点承载力的影响。

分别考虑无卷边、卷边垂直横杆轴线、卷边平行横杆轴线3种情况下节点承载力，卷边厚10 mm、高60 mm，3种情况如图10所示。

图10 SJC1卷边位置

在偏心距为70 mm、横杆规格为110 mm×8 mm、节点板厚为10 mm、中间无支撑的前提下，改变卷边位置，并将结果列于表11。

表11 SJC1横隔面节点卷边的承载力比较

可以看出，无卷边与卷边平行横杆轴线情况下的节点承载力基本无差别，而卷边垂直横杆轴线情况下承载力有10%左右的提高。这说明节点区由于斜材偏心引起的附加弯矩在横杆附近的影响较大，在垂直横杆轴线方向将节点板卷边，可以有效提高节点承载力。

3 偏心连接节点极限承载力计算

3.1 节点承载力

当节点处有较大的偏心弯矩时，可根据交汇于节点的各杆线刚度，将偏心弯矩分配到各杆件。节点承载力公式为

在算得Mi后，按偏心受力杆件计算各杆强度及稳定。

3.2 验算

从前面的有限元分析可以看出，偏心弯矩对节点的主要影响在横杆上，所以只计算横杆上的应力（SJC3偏心距为140 mm），按偏心受力杆件计算，结果如表12所示（节点板厚t≤16 mm，Q345设计强度值取310 Mpa）。表12中，中部支撑为有表示横杆长度取一半，为无时则长度不变；有限元结果比值为有限元得到的横杆承载力与设计值的比值。

表12 有限元结果与公式结果比较

SJC3横隔节点横杆采用110 mm×10 mm的角钢时，承载力超过设计荷载，满足设计要求。当横杆规格为110 mm×8 mm时，此时横杆应力已经超过设计荷载，这与前述有限元分析结果一致。

SJC3横隔节点横杆采用110 mm×10 mm的角钢，中点有支撑时，承载力超过设计荷载，满足设计要求。当横杆规格不变，中点无支撑时，此时横杆应力已经超过设计荷载，与前述有限元分析结果一致。

SJC1横隔节点，应力满足要求，有限元分析也满足要求。

可以看出，按这种方法进行设计计算时，初始设计横杆规格即满足应力要求，且该规格满足有限元分析的应力要求，结果偏于保守，所以设计中可以采用上述方法对此节点进行设计计算。

4 过渡段与塔腿斜材连接节点

工程中为了便于施工方便，在过渡点与塔腿斜材连接节点的位置，如图11所示，把横杆插入过渡段和塔腿斜材间，将上下两根斜材切断。

2个典型铁塔中，500 kV转角塔SJC3的过渡段与塔腿斜材连接节点相关杆件内力最大，因此选取SJC3的杆件内力进行设计和分析。

图11 过渡段和塔腿斜材连接节点

4.1 横杆位置

对于过渡段和塔腿斜材连接节点，横杆有插入和不插入过渡段和塔腿斜材间2种设计方法。2种设计方法下的节点如图12所示。

图12 过渡段和塔腿斜材连接节点横杆位置

4.2 两种设计方法的比较

在TTA模型中查询SJC3的所有塔型和含过渡段长腿组合中该节点相关杆件的最大内力，将这种工况对应的关键点荷载导入ANSYS中，查得该情形下的杆件内力方向及分配比例，并由此决定有限元模型中各杆件加载比例，施加额定荷载为25 kN，如表13所示，其中正值代表拉力，负值代表压力。

采用shell181单元在ANSYS有限元分析软件中分别建立2种设计方法的模型如图13～14所示。加载时只在塔腿斜材进行沿杆轴方向加载，其余各杆件轴向已经固定。

表13 SJC3过渡段和塔腿斜材节点加载比例

图13 横杆插入过渡段和塔腿斜材间

图14 横杆不插入过渡段和塔腿斜材间

塔身斜材和横隔面材及其他辅材均采用Q345钢，其屈服强度为345 MPa。

第1种情况的荷载位移曲线如图15所示。

图15 横杆插入过渡段和塔腿斜材间荷载位移曲线

在荷载为653 kN即为设计荷载的2.04倍时破坏，此时的应力云图如图16所示。

图16 横杆插入过渡段和塔腿斜材间设计荷载2.04倍时应力云图

此时的应力云图中塔腿斜材的应力已经很大，同样取图17所示的应力状态对应的荷载为该节点在这种情况下的承载力，此时的荷载值565 kN为设计荷载的1.76倍。

图17 横杆插入过渡段塔腿斜材间设计荷载1.76倍时应力云图

第2种情况的分析方法与第1种情况相同。从2种情况的有限元分析结果，可以得到2种设计下承载力和变形如表14所示。

表14 SJC3过渡段和塔腿斜材节点2种设计下承载力和变形比较

可以看出，横杆在外时的变形比横杆在内时的变形大3.5%，横杆在外时的承载力比横杆在内时的承载力小7%。

横杆在外时，节点板尺寸较小，但考虑到过渡段V面交叉材的连接，将横杆插入过渡段和塔腿斜材间更方便塔腿V面杆件的搭接放置。

5 结语

500 kV转角塔SJC3和220 kV转角塔SJC1两个塔腿过渡段内侧杆件夹角较小，轴力较大，所以偏心距比较小时容易出现两根杆件中间部分节点板应力过大的现象，当偏心距增大到不影响杆件与节点板的连接并对杆件间的节点板应力几乎没有影响时，由于偏心距产生的偏心弯矩也随之增大，这个弯矩作用于横隔面上的横杆，发生破坏。当横杆满足轴力和按线刚度分配得到的弯矩共同作用下的验算时，有限元分析结果也是满足的。因此在工程中，设计这种有偏心距的横隔节点时可以采用按线刚度分配弯矩，然后按压弯计算横隔杆件的方法。

减小偏心距、增大角钢规格、增大节点板厚、横杆中点加支撑是提高节点承载力的有效方法。对于220 kV转角塔SJC1横隔面节点，从有限元分析结果可以看出，节点区由于斜材偏心引起的附加弯矩对横杆的影响较大，在垂直横杆轴线此方向将节点板卷边，可以有效提高节点承载力。

对于过渡段和塔腿斜材连接节点，横杆在内和横杆在外2种设计方法下承载力和变形相差不大，采用横杆在内的设计方法较横杆在外的设计方法承载力大7%，变形小3.5%，但将横杆插入过渡段和塔腿斜材间更方便塔腿V面杆件的搭接放置。因此工程中为了便于施工，建议把横杆插入过渡段和塔腿斜材间。