劉永勝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安　710043)

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K形、KT形圓鋼管桁架節(jié)點試驗及力學性能分析

劉永勝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安710043)

摘要：在對750kV格構(gòu)式變電構(gòu)架K形、KT形圓鋼管桁架節(jié)點足尺試驗研究的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS軟件對優(yōu)化的鋼管節(jié)點進行有限元數(shù)值分析，考察減小連接板厚度以后K形、KT形鋼管節(jié)點的受力性能和承載力、連接板應(yīng)力分布及變形等指標。結(jié)果表明：在設(shè)計荷載作用下節(jié)點沒有明顯變化，處于彈性狀態(tài)；超加載階段，試件局部進入塑性，但分布面積較小，區(qū)域不連通，節(jié)點整體受力穩(wěn)定。有限元分析的連接板應(yīng)力分布及變形趨勢與試驗結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：格構(gòu)式構(gòu)架；足尺試驗；K形、KT形鋼管節(jié)點；數(shù)值分析；鋼管節(jié)點

750 kV格構(gòu)式變電構(gòu)架的鋼管柱與腹桿通過節(jié)點板鉸接連接，螺栓分并列和錯列布置，常采用T形、十字形、槽形以及一字形連接形式。十字形連接用于構(gòu)件內(nèi)力較大的節(jié)點，連接螺栓按雙剪設(shè)計，螺栓數(shù)量較少，但管頭構(gòu)造相對復雜，焊接工作量大；槽形和一字形連接用于構(gòu)件內(nèi)力較小的節(jié)點，節(jié)點構(gòu)造簡單；T形連接適用于介于兩者之間的節(jié)點。節(jié)點是構(gòu)架設(shè)計的關(guān)鍵，其破壞往往導致與之相連的若干桿件失效，連接形式、強度和剛度大小是主要影響因素。國內(nèi)關(guān)于變電構(gòu)架節(jié)點連接方面的研究報道相對較少。朱愛珠等[1，2]以500 kV變電站28 m焊接構(gòu)架柱為原型進行研究，得到了各因素對構(gòu)架柱整體剛度和強度的影響；李志等[3]利用ANSYS軟件對人字形柱單鋼管梁節(jié)點在平面內(nèi)彎矩作用下的變形和應(yīng)力分布進行分析，給出了節(jié)點螺栓拉力的簡化計算公式；楊國賢等[4]用等效單環(huán)法給出了拉力作用下T形節(jié)點的承載力公式。施榮等[5]對750 kV復合橫擔塔進行了受力計算，并與試驗結(jié)果對比，驗證了復合橫擔受力計算結(jié)果以及設(shè)計的合理性。司建輝等[6]采用足尺寸試驗及有限元方法，對K形節(jié)點在設(shè)計荷載和1.5倍的設(shè)計荷載下節(jié)點的變形情況及極限承載力進行了研究，結(jié)果表明，在設(shè)計荷載作用下節(jié)點仍處于彈性工作狀態(tài)，1.5倍的設(shè)計荷載作用下節(jié)點仍然是安全可靠的。目前，對750 kV格構(gòu)式變電構(gòu)架連接的實際受力性能的研究還相對較少，研究此類節(jié)點的受力性能、工作機理及安全富裕程度，為設(shè)計方法提供建議已經(jīng)成為輸電塔架及其類似結(jié)構(gòu)設(shè)計中亟待解決的問題。

本文在K形、KT形鋼管節(jié)點試驗研究的基礎(chǔ)上[7]，采用ABAQUS有限元軟件分析了K形、KT形鋼管節(jié)點在荷載作用下的性能表現(xiàn)，得到不同加載階段節(jié)點關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布、變形幅值、荷載位移曲線等指標，揭示了格構(gòu)式構(gòu)架管節(jié)點的受力機理，為750 kV格構(gòu)式變電構(gòu)架管節(jié)點的連接設(shè)計提供依據(jù)。

1試驗概況

1.1試驗裝置

本次試驗在西安理工大學結(jié)構(gòu)大廳實驗室進行，以敞開式布置的哈密南750 kV變電站工程為原型，取荷載較大的K形、KT形平面節(jié)點作為試驗試件，節(jié)點連接方式、夾角、連接板厚度、螺栓數(shù)量等參數(shù)均取自實際工程，并滿足相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求[8-10]，鋼管節(jié)點采用1∶1足尺模型，節(jié)點細部連接詳圖如圖1所示。

圖1　節(jié)點細部連接(單位：mm)

將鋼管節(jié)點置于封閉的加載系統(tǒng)內(nèi)，門架頂部通過H400 mm×250 mm×8 mm×16 mm型鋼梁剛性連接，形成一榀封閉自平衡系統(tǒng)。在主桿兩側(cè)設(shè)鋼板與門架連接，實現(xiàn)剛性約束，固定試件；在斜腹桿受壓端設(shè)置帶角度的十字形加載頭，固定于門架側(cè)面，用千斤頂反向加載施加壓力；在斜腹桿受拉端設(shè)置連接板，通過4個M30拉桿與遠端帶角度的十字形加載頭連接，用千斤頂沿門架外側(cè)反向施加拉力。采用1 000 kN油壓千斤頂2臺，500 kN千斤頂1臺，可滿足加載要求。試驗裝置見圖2。

圖2　試驗裝置

本文采用真型足尺試驗，試驗試件共3組，均取自鋼管格構(gòu)柱，編號分別為ZJD-1(KT形)、ZJD-2(K形)、ZJD-3(KT形)，其中字母ZJD表示鋼管格構(gòu)柱節(jié)點，后面的阿拉伯數(shù)字表示試驗序號。主、腹桿間通過6.8級普通螺栓連接，主要連接形式為T形和槽形，桿件截面尺寸及連接板厚度等參見表1。主桿桿長取3 500、2 600 mm兩種規(guī)格，腹桿長500 mm，均為圓鋼管截面，采用Q345B鋼，連接板為鋼板，采用Q235B鋼。由于安裝精度及試件初始缺陷的影響，各試件均有不同程度的初始偏心。

表1　試件參數(shù)

1.2試驗現(xiàn)象

通過對750 kV格構(gòu)式構(gòu)架管節(jié)點的足尺試驗可知[7]：(1)在設(shè)計荷載作用下，桿件及連接板無明顯現(xiàn)象，均處于彈性工作狀態(tài)；(2)在超加載階段(試驗試件超加載幅度詳見表2)，試件沒有明顯現(xiàn)象，焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生，連接板部分進入塑性階段，但屈服區(qū)域較小，發(fā)展緩慢；(3)T形插板有較大富裕，優(yōu)化后的連接板與插板剛度差異明顯；(4)連接板厚度由14 mm(詳見文獻[7])減小到10 mm后，試驗中表現(xiàn)良好，無明顯現(xiàn)象，焊縫完好無損，表明優(yōu)化后的節(jié)點安全可靠，可滿足工程設(shè)計要求。

整個試驗過程中，桿件及連接板沒有明顯現(xiàn)象，螺栓在拉壓荷載作用下，有部分滑移，孔壁有磨損，節(jié)點板沒有明顯變形；超加載階段受壓T形插板有輕微變形，但現(xiàn)象并不明顯；主管與連接板焊縫完好無損，無裂紋產(chǎn)生。見圖3。

表2　試件荷載值

圖3　試驗現(xiàn)象

1.3荷載-位移曲線

圖4為試驗中節(jié)點板的平面外荷載-位移曲線，由于加載過程中千斤頂油泵振動及腹桿拉、壓荷載級不同步等干擾因素，導致試件節(jié)點受力不平衡，數(shù)據(jù)有回彈、跳躍現(xiàn)象。

試件ZJD-1加載過程中表針有脫落，數(shù)值離散，沒有明顯規(guī)律，試件ZJD-2、試件ZJD-3在加載初期有回彈現(xiàn)象，后期趨于穩(wěn)定。

圖4　荷載-位移曲線(試驗)

2有限元分析

2.1試件概況

試件的有限元模型見圖5，分別為KT形節(jié)點和K形節(jié)點。有限元模型鋼管節(jié)點的尺寸及連接作法同試驗試件，共3組，試件詳細參數(shù)見表1。

圖5　有限元模型

2.2模型建立

采用ABAQUS軟件進行有限元分析，主桿、腹桿、連接板及螺栓均采用C3D8三維八節(jié)點實體單元。根據(jù)試件幾何尺寸，先定義關(guān)鍵點，通過關(guān)鍵點定義線，再由線定義面?？紤]到模型的準確性和網(wǎng)格劃分的可實施性，節(jié)點網(wǎng)格劃分時采用映射與自由網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方式。連接板網(wǎng)格加密。鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，服從von Mises屈服準則，材料性能指標由材性試驗得到，不考慮焊縫以及殘余應(yīng)力對節(jié)點極限承載力的影響。

2.3邊界約束

為避免加載點處局部應(yīng)力集中，沿腹桿周邊施加環(huán)向面荷載，模擬桿件實際的拉壓荷載，按設(shè)計階段和超載階段兩部分進行加載。對鋼管柱兩端施加X，Y，Z三個方向的約束限制其變形。

2.4求解設(shè)定

先進行結(jié)構(gòu)的特征值屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的屈曲模態(tài)，再將第一屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)的初始缺陷施加在模型上，然后進行結(jié)構(gòu)靜力分析。關(guān)閉應(yīng)力剛化，打開大變形小應(yīng)變開關(guān)，采用Newton-Raphson增量迭代法和力收斂準則[11，12]。

2.5受拉斜腹桿的荷載-位移曲線

對所有試件進行超加載分析，由圖6(a)可知，試件ZJD-1在設(shè)計荷載作用階段，桿件的荷載-位移曲線基本呈線性變化，荷載步較大；超加載至500 kN以后，曲線開始有轉(zhuǎn)折，局部進入塑性；在加載后期，曲線開始有輕微下降，位移值較大，約12 mm左右。

由圖6(b)可知，試件ZJD-2在設(shè)計荷載作用階段，桿件的荷載-位移曲線基本呈線性變化，荷載步較大；超加載至280 kN以后，曲線開始有轉(zhuǎn)折，局部進入塑性，位移值增加較快；在加載后期，曲線開始有輕微下降，位移值約12 mm左右。

由圖6(c)可知，試件ZJD-3在設(shè)計荷載作用階段，桿件荷載-位移基本呈線性變化，荷載步較大；加載至560 kN以后，曲線開始有轉(zhuǎn)折，局部進入塑性，位移值增加較快；在加載后期，曲線開始有輕微下降，位移值約14 mm左右。

圖6　荷載-位移曲線(有限元)

2.6結(jié)果對比

有限元計算為理想狀態(tài)，荷載-位移曲線基本呈線性變化，變形大多集中在桿件上，連接板上變形很小，超加載階段連接板面外變形約14 mm左右。

選取試驗狀況較穩(wěn)定試件ZJD-3的有限元荷載-位移曲線與試驗結(jié)果進行對比，如圖7所示。從變形值來看，試驗試件ZJD-3節(jié)點板面外變形值較小約2 mm，較大約13 mm，與有限元分析結(jié)果較吻合；設(shè)計荷載階段，試驗值與有限元分析結(jié)果相差不大，超加載階段，有限元結(jié)果略高于試驗值，但曲線的發(fā)展趨勢基本一致，表明有限元模擬結(jié)果比較可靠，為后續(xù)分析提供依據(jù)。

圖7　試件ZJD-3荷載-位移曲線對比

3有限元結(jié)果分析

3.1應(yīng)力分布

由圖8～圖10可知：(1)試件ZJD-1、試件ZJD-2及試件ZJD-3主桿、拉壓腹桿上應(yīng)力值均較小，處于彈性工作狀態(tài)；連接板上應(yīng)力值較大，集中分布在沿腹桿力線方向兩側(cè)區(qū)域，大多處于彈性工作階段(約200 MPa)；von Mises應(yīng)力峰值出現(xiàn)在主管與連接板相交的邊緣位置，局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，峰值分別為373、355 MPa及409 MPa，已超過其屈服應(yīng)力，但分布面積均很小，屈服區(qū)域均不連通。

圖8　試件ZJD-1 von Mises應(yīng)力/MPa

圖9　試件ZJD-2 von Mises應(yīng)力/MPa

圖10　試件ZJD-3 von Mises應(yīng)力/MPa

有限元分析的試件應(yīng)力主要分布在連接板沿腹桿力線方向兩側(cè)區(qū)域，設(shè)計荷載階段約200 MPa；超加載階段，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在主管與連接板相交的邊緣位置，局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，峰值為350～410 MPa。而試驗結(jié)果表明[5]：設(shè)計荷載作用下節(jié)點沒有明顯變化，基本處于彈性狀態(tài)；超加載階段試件局部進入塑性，但分布面積較小，屈服區(qū)域不連通，測得連接板處等效應(yīng)力約300 MPa。表明有限元分析的試件應(yīng)力分布與試驗結(jié)果較吻合。

3.2結(jié)構(gòu)變形

由圖11～圖13可知，3個試件在設(shè)計荷載作用下整體位移均較小，變形大多集中在桿件上，連接板上的變形很小。由圖11可知，試件ZJD-1沿X方向位移最大為2.1 mm，沿Y方向位移最大為1.58 mm，沿Z方向位移最大為7.71 mm，均發(fā)生在腹桿上；由圖12可知，試件ZJD-2沿X方向位移最大為1.91 mm，沿Y方向位移最大為1.15 mm，沿Z方向位移最大為15.0 mm，均發(fā)生在腹桿上；由圖13可知，試件ZJD-3沿X方向位移最大為3.4 mm，沿Y方向位移最大為2.6mm，沿Z方向位移最大為25.0 mm，均發(fā)生在腹桿上。

圖11　試件ZJD-1變形(單位：mm)

圖12　試件ZJD-2變形(單位：mm)

圖13　試件ZJD-3變形(單位：mm)

4結(jié)論

(1)ABAQUS的C3D8三維八節(jié)點實體單元可有效模擬鋼管節(jié)點的受力性能，有較高的計算精度和準確性。

(2)有限元分析的節(jié)點承載力-位移曲線與試驗結(jié)果吻合較好，表明文中選用的實體單元模型、邊界約束及求解設(shè)定合理，滿足有限元節(jié)點分析的精度，可作為750 kV格構(gòu)式變電構(gòu)架節(jié)點數(shù)值分析的依據(jù)。

(3)有限元結(jié)果表明：在設(shè)計荷載作用下連接板區(qū)域應(yīng)力較低，變形值小；主管與連接板相交的邊緣位置局部區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值較高，但區(qū)域面積小，分布離散且不貫通，不影響節(jié)點的安全性，結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定。

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收稿日期：2015-10-14； 修回日期：2015-11-17

作者簡介：劉永勝(1963—)，男，工程師，2014年畢業(yè)于西南交通大學 土木工程專業(yè)，E-mail:385550821@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0126-06

中圖分類號：TU392.3

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.026

Test and Mechanics Property Analysis of K-joint and KT-joint of Steel Circular Tubular Truss

LIU Yong-sheng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.Ltd ，Xi’an 710043，China)

Abstract：Based on the full scale tests of K-shaped and KT-shaped tubular joints of a 750 kV lattice substation frame，the optimized tubular joints are analyzed with ABAQUS software. The mechanical behavior，bearing capacity，stress distribution and deformation of connecting plate of the K-shaped and KT-shaped tubular joints with reduced thickness of the connecting plate are investigated. The results show that members and connection plate of the specimens are in elastic state under the design load; the part of test connection plate becomes plastic during super loading phase. However，the distribution area of the connection plate is small and isolated，which shows that the overall stability of the tubular joint is excellent. The stress distribution and deformation tendency of the connecting plate shown by finite element analysis are consistent with experimental results．

Key words：Lattice frame; Full-scale tests; K-type and KT-type tubular joints; Numerical analysis; Tubular joint