劉堃　李正良　尤軍　涂胤

摘要：空間KK型管板連接節(jié)點作為輸電鋼管塔中最主要的節(jié)點型式，其安全性是整個塔架結(jié)構(gòu)安全的重要保證。相比較于平面K型節(jié)點，在考慮實際結(jié)構(gòu)中節(jié)點空間效應(yīng)后的KK型節(jié)點的受力性能更為復雜。在平面K型管板節(jié)點的試驗研究基礎(chǔ)上，對兩類空間KK型管板節(jié)點展開參數(shù)化分析，重點討論了節(jié)點幾何尺寸參數(shù)和主管軸壓應(yīng)力比等因素對節(jié)點極限承載力的影響變化規(guī)律。結(jié)合大量有限元參數(shù)分析所得計算結(jié)果，并綜合考慮各種因素對節(jié)點極限承載力的影響，提出了空間KK型管板連接節(jié)點在主管管壁局部屈曲破壞模式下的極限承載力建議計算方法。

關(guān)鍵詞：輸電鋼管塔；空間KK型；管板連接節(jié)點；極限承載力

中圖分類號：TU392.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0072-11

近年來，中國的電網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，輸電線路的輸送容量和電壓等級不斷提高，桿塔承受的荷載也越來越大，傳統(tǒng)的角鋼塔已不能滿足發(fā)展的需要。鋼管塔因具有風壓小、剛度大、結(jié)構(gòu)簡潔、傳力清晰等眾多優(yōu)點，在大跨越工程和特高壓輸電線路中得到廣泛應(yīng)用。輸電鋼管塔屬于高聳的空間桁架結(jié)構(gòu)，各鋼管構(gòu)件是由節(jié)點相互連接在一起的，桿件的傳力完全通過節(jié)點來實現(xiàn)。因此，節(jié)點設(shè)計及其構(gòu)造處理的好壞將直接影響到鋼管塔整體受力性能。節(jié)點破壞后會帶來一系列連鎖效應(yīng)，導致從局部到整體的連續(xù)破壞，因此，安全可靠性對整個塔架而言至關(guān)重要。

目前，在輸電鋼管塔節(jié)點的構(gòu)造連接方面普遍采用管板連接方式，但對此類節(jié)點受力性能的研究還很少，缺乏相應(yīng)的設(shè)計理論用于指導工程實踐。更為重要的是，以往所進行的研究主要是針對平面K型管板節(jié)點，對于空間KK型節(jié)點的研究非常少。因?qū)嶋H輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)中的該類管板節(jié)點不是平面K型，而是空間KK型的，在考慮實際節(jié)點的空間效應(yīng)（包括：幾何空間效應(yīng)和荷載空間效應(yīng)）后，其受力情況和破壞模式更為復雜。通常情況下空間KK型管板節(jié)點呈現(xiàn)以下3種破壞模態(tài)：1）主管管壁鋼材受力下局部超出彈性階段產(chǎn)生塑性變形而破壞；2）節(jié)點板過早破壞導致節(jié)點喪失承載力的局部失效破壞；3）上述兩種情況并存下的破壞模式。但截止到目前為止，相關(guān)規(guī)范還沒有專門方法來計算這類節(jié)點的承載力。本文依托實際工程，研究在第一類破壞模式下輸電塔空間KK型節(jié)點的極限承載力。

1.K型管板連接節(jié)點承載力試驗研究

1.1試驗樣本

以現(xiàn)工程常見的K型管板節(jié)點承載力試驗為基礎(chǔ)展開后續(xù)討論，試驗如圖1所示。主管和支管的尺寸分別為φ219×6和φ133×6，K型節(jié)點中承壓支管和受拉支管與主管夾角分別為45°和50°，主管長2m，其中：在節(jié)點板與主管相交的上下端部位置設(shè)置了1/4環(huán)形加強板。各節(jié)點試件所用材料均為Q345鋼，具體尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2試驗裝置和加載方案

試驗裝置如圖1所示，應(yīng)變片布置如圖2所示。主管底部與三角形鋼支座鉸接，主管上部及各支管的端部用千斤頂連接。

加載采用分級加載，每級加載后停頓1min，再繼續(xù)加載。具體加載方式為：與主管上端連接的2#千斤頂施加軸壓力，與上支管端部連接的3#千斤頂施加軸壓力，與下支管端部連接的1#千斤頂施加軸拉力，主管與支管同步加載，當主管軸壓力達到0.2P_v，y時，停止對主管加載，此時支管仍繼續(xù)加載，直至發(fā)生破壞。

1.3試驗結(jié)果

通過試驗觀察到，各節(jié)點試件在達到其極限承載力的時候，其破壞模式主要表現(xiàn)為：在主管與節(jié)點板以及上、下環(huán)板相交處的局部區(qū)域發(fā)生了屈服，具體的破壞現(xiàn)象如圖3所示。其荷載一應(yīng)變曲線與荷載一位移曲線如圖4所示。

應(yīng)變的變化隨荷載逐漸增大呈現(xiàn)先直線后曲線的趨勢，非線性變化是判斷屈服的標準。當荷載繼續(xù)增加，節(jié)點的塑性區(qū)進一步擴展，最終在主管與環(huán)板附近的塑性區(qū)域形成貫通，節(jié)點達到極限承載力狀態(tài)。隨著主管與支管上所施加荷載的不斷增加，下端環(huán)板附近的主管區(qū)域首先進入屈服階段。荷載繼續(xù)增大，此區(qū)域發(fā)生塑性變形后內(nèi)力重新分布，且擴大影響范圍至節(jié)點局部明顯變形而破壞。在整個加載過程中，環(huán)板、節(jié)點板、支管和插板等均未達到其極限承載力，沒有發(fā)生破壞。

從節(jié)點試件的破壞變形圖中可以看出，節(jié)點試件的主管均在其管壁上的1號關(guān)鍵點處出現(xiàn)了局部凹陷，在2號關(guān)鍵點處出現(xiàn)了局部凸起，且2號點處的變形量較1號點處明顯。但由于環(huán)板的加強作用，這兩點處的變形量均較小；當節(jié)點達到極限承載力時，在受拉支管一側(cè)的主管管壁與環(huán)板的相交處甚至出現(xiàn)了拉裂現(xiàn)象。

2.管板連接節(jié)點有限元分析模型驗證

采用ANSYS中的SHELLl81單元建立節(jié)點有限元模型，模型的材料屬性、邊界條件和加載方式等均與試驗相同。

選取主管上關(guān)鍵點處的試驗結(jié)果與有限元計算分析結(jié)果的荷載一位移曲線進行比較，對比結(jié)果如圖5所示。總體而言，本文所建立的有限元模型能夠較好地模擬該類節(jié)點的整個受力過程。

3.空間KK型管板節(jié)點極限承載力參數(shù)分析

對于空間KK型管板節(jié)點，其幾何參數(shù)如圖6所示，按有無偏心分別對以下兩類節(jié)點的極限承載力展開有限元參數(shù)分析：無偏心全環(huán)板節(jié)點和負偏心全環(huán)板節(jié)點。節(jié)點極限承載力主要受主管直徑D和管壁厚度t、節(jié)點板高度B和環(huán)板高度R、環(huán)板厚度t_r，和節(jié)點板之問的夾角β，支管偏心大小e/D等影響。主管與環(huán)板為Q345鋼，屈服強度，f_y=345MPa，彈性模量E_s=2.06×10⁵N/mm²，泊松比u=0.3。ANSYS中采用Von-Mises屈服準則定義材料彈塑性的發(fā)展，基于等向強化理論的流動法則定義單元剛度。

3.1無偏心全環(huán)板KK型節(jié)點

針對帶全環(huán)板的空間KK型管板節(jié)點的極限承載力展開研究分析，節(jié)點有限元模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

對于無偏心全環(huán)板空問KK型管板連接節(jié)點各影響參數(shù)的取值如表2所示，并根據(jù)這些計算參數(shù)，設(shè)計了多組節(jié)點，進行有限元參數(shù)分析。

3.1.1夾角β對節(jié)點極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，節(jié)點板高度B=709.8mm（其他尺寸根據(jù)表2進行無量綱化組合）的全環(huán)板空問KK型管板節(jié)點，討論夾角β對承載力的影響，結(jié)果如圖8所示。

從圖中可以看出，當環(huán)板高度較小，R=40mm時，夾角β的變化對節(jié)點承載力的影響較明顯，這時節(jié)點的破壞主要是由環(huán)板的局部屈服控制或主管與環(huán)板聯(lián)合控制。當環(huán)板高度增加，R=60mm時，夾角β的變化對節(jié)點承載力的影響開始表現(xiàn)得不再明顯，此時除β=30。時的節(jié)點承載力稍小外，口在60°～180du3之間變化時，節(jié)點的承載力基本保持不變。當環(huán)板高度較高，R=80mm時，與R=60mm的情況基本相同，節(jié)點的破壞由主管控制，不同夾角β情況下各節(jié)點的極限承載力基本相同。

3.1.2主管徑厚比D/t對節(jié)點極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，節(jié)點板高度B=709.8mm，環(huán)板高度R=60mm，主管管壁厚度t=6mm，環(huán)板厚度t_r=6mm的全環(huán)板空間KK型管板節(jié)點，討論D/t對承載力的影響，計算結(jié)果如圖9所示。

結(jié)果表明，節(jié)點極限承載力P_n值與D/t呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律的逆相關(guān)，隨D/t的增大而減小。

3.1.3節(jié)點板高度與主管直徑比B/D對極限承載力的影響主管直徑D=273mm，主管管壁厚度t=6mm，環(huán)板厚度t_r=6mm的全環(huán)板空問KK型管板節(jié)點，分別討論在不同的R和夾角β情況下，節(jié)點的極限承載力隨節(jié)點板高度與主管直徑之比B/D的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖11所示。

從圖10可以看出，對于全環(huán)板KK型節(jié)點，節(jié)點板高度的增加對節(jié)點承載力的提高作用很小，這是因為在增加全環(huán)板后，節(jié)點的承載力不再由節(jié)點板與主管相交處主管管壁局部塑性變形控制，而由節(jié)點板、下端全環(huán)板在主管管壁上相交區(qū)域的塑性變形控制，與節(jié)點板高度關(guān)系不大，過高的節(jié)點板不能得到有效利用，因此，工程設(shè)計中節(jié)點板高度按構(gòu)造取值即可。

3.1.4節(jié)點主管直徑與環(huán)板高度比D/r對極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，管壁厚度t=8mm，環(huán)板厚度t_r=mm的全環(huán)板空問KK型管板節(jié)點，討論節(jié)點的極限承載力隨D/R的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖11所示。

從圖中可以看出，環(huán)板高度的增加對節(jié)點承載力的提高作用存在一個有效范圍，當R從40mm增加到60mm時，對節(jié)點承載力的提高作用較為明顯，而當R從60mm增加到80mm時，節(jié)點承載力增幅很小。這是因為R較小時，節(jié)點的破壞模式由環(huán)板控制，節(jié)點達到極限承載力時，環(huán)板先于主管發(fā)生破壞；而R較大時，節(jié)點的破壞模式由主管控制。在工程設(shè)計中，對于全環(huán)板高度的取值應(yīng)根據(jù)主管直徑D和壁厚t來確定，同時考慮節(jié)點設(shè)計的相關(guān)構(gòu)造要求，將R控制在一個有效合理的范圍內(nèi)。

3.1.5主管管壁厚度與環(huán)板厚度之比t/t_r，對節(jié)點極限承載力的影響選取主管直徑D=273mm，節(jié)點板高度B=709.8mm，主管管壁厚度t=6mm的全環(huán)板KK型節(jié)點，討論在不同的R和夾角β情況下節(jié)點的極限承載力隨t/t_r，的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，t/t_r，對節(jié)點承載力的影響與環(huán)板高度R取值有較大關(guān)系。當環(huán)板高度較小，R=40mm時，節(jié)點承載力由環(huán)板控制，t/t_r，的變化對節(jié)點的承載力存在較大影響，節(jié)點的承載力與t/t_r變化規(guī)律呈現(xiàn)逆相關(guān)。隨著環(huán)板高度的增加，當R=60或80mm時，節(jié)點的破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍鞴芸刂?，此時環(huán)板厚度的增加對節(jié)點極限承載力的提高作用很小。

3.1.6主管的軸向應(yīng)力比η對節(jié)點極限承載力的影響選取D=273mm、t=8 mm、B=710mm、R=60mm、t_r=8mm的管板節(jié)點，討論平面K型節(jié)點和空問KK型節(jié)點（β=90°）分別在主管受軸拉或軸壓作用時，節(jié)點承載力的變化情況，計算結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，主管受壓時，η絕對值越大，K型節(jié)點和KK型節(jié)點承載力越小。主管受拉時，隨著η的增大，節(jié)點的承載力有一定程度提高，但拉力過大時，節(jié)點的承載力出現(xiàn)下降。主管軸向拉應(yīng)力比η從0增加到0.9，K型節(jié)點的極限承載力的最大增幅僅為2.72%，基本可忽略不計。但KK型節(jié)點的極限承載力則有明顯增加，增幅達到38.1%，這是因為空間KK型節(jié)點在增加全環(huán)板后，節(jié)點的主管、節(jié)點板和全環(huán)板共同形成了一個緊密的空間受力整體，在主管受軸向拉力時，不僅有主管參與，而且節(jié)點板和全環(huán)板也參與了受力，所以，全環(huán)板空問KK型節(jié)點在主管受軸拉作用時，節(jié)點承載力的提高較明顯。下面著重討論在不同的D/t、B/D、t/t_r、R和夾角β情況下主管受壓時，其軸壓應(yīng)力比叩對節(jié)點極限承載力的影響，計算結(jié)果如圖14所示。

從圖14可以看出，在各種不同情況下，當主管軸壓應(yīng)力比η從0增加到0.9的過程中，全環(huán)板KK型節(jié)點的承載力均出現(xiàn)了明顯下降，在輸電塔設(shè)計中必須考慮主管軸向壓力對承載力的影響。

3.2負偏心全環(huán)板KK型節(jié)點

前面對無偏心全環(huán)板KK型節(jié)點的承載力進行了研究。相較于這類節(jié)點，負偏心全環(huán)板KK型節(jié)點的受力性能更為復雜，其極限承載力與無偏心全環(huán)板KK型節(jié)點存在較大差別。本節(jié)將針對負偏心全環(huán)板KK型節(jié)點的承載力展開討論。對于負偏心全環(huán)板空問KK型管板連接節(jié)點各幾何參數(shù)的取值如下表3所示，并根據(jù)這些計算參數(shù)，設(shè)計了多組節(jié)點，進行有限元參數(shù)分析。

3.2.1平面K型節(jié)點與空間KK型節(jié)點極限承載力對比選取主管直徑D=273mm，節(jié)點板高度B=709.8mm，主管管壁厚度t=6mm，環(huán)板厚度t_r=6mm的管板節(jié)點，討論負偏心全環(huán)板空間KK型節(jié)點（β=90。）與負偏心全環(huán)板平面K型節(jié)點極限承載力的差異，計算結(jié)果如圖15所示。

從圖15可以看出，對于負偏心情況下帶全環(huán)板的K型節(jié)點與KK型節(jié)點之問的承載力存在較大差異。平面K型節(jié)點的承載力隨e/D的增加，先增大后逐漸降低；而負偏心全環(huán)板KK型節(jié)點的承載力，在e=0增加到e=D/2的整個過程中，節(jié)點的極限承載力一直呈下降趨勢。由此可見，對于帶全環(huán)板的空間KK型管板節(jié)點，支管的負偏心連接并不一定是有利的。

3.2.2支管偏心大小e/D對節(jié)點的極限承載力的影響本節(jié)研究不同D/t/R夾角β下，支管的偏心大小e/D對全環(huán)板空間KK型節(jié)點的極限承載力的影響，其中Dv為273mm，計算結(jié)果如圖16所示。

從圖16可以看出，隨著e/D的增大，各節(jié)點承載力的變化趨勢基本一致。當環(huán)板高度較小，R=40mm時，在偏心距由0增加到-1/8D的過程中，節(jié)點的承載力存在一個小幅上升，e繼續(xù)增加，節(jié)點的承載力又開始出現(xiàn)下降或基本保持不變。當環(huán)板高度較大，R=60、80mm時，在e=0增加到e=-1/2D的過程中，節(jié)點的承載力一直下降。

4.KK型管板連接節(jié)點極限承載力計算方法

4.1 KK型管板節(jié)點等效受力模型

輸電塔KK型管板節(jié)點受力模型如圖17所示。各支管軸力拉壓力成對出現(xiàn)且大小相近，近似認為P₁=P₂=P₃=P₄。此外，各支管軸線與主管軸線的夾角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄一般也較為接近。

從式（4）中可看出，當節(jié)點采用負偏心連接時，主管管壁所受到的彎矩作用變小，在其他條件不變的情況下，負偏心節(jié)點的承載力將得到提高。但若負偏心距較大，如圖18所示，e=-D/2時，M=0，此時各支管軸力通過節(jié)點板的傳遞所引起的主管管壁上的豎向剪力Q將對節(jié)點的極限承載力起控制作用，由于主管管壁所受剪力過大，造成節(jié)點過早出現(xiàn)局部屈曲破壞，節(jié)點承載力下降。

圖20給出了AIJ、CIDECT、CISC、JSSC和Kim的K型節(jié)點承載力計算公式值。該計算方法考慮了主管軸力、支管軸力和負偏心距的相互影響。通過式（5）可以得到節(jié)點主管無軸力作用時的等效橫向荷載Pr，再通過式（2）得到主管管壁彎矩。將結(jié)果代入式（1），便得到支管軸力。式（6）中P_v，y=f_y·A。P_e可以通過式（5）求出。這樣式（6）為P。和P_e，v的關(guān)系式。只要確定了兩者中一個參數(shù)，另一個參數(shù)值就求出來了。

5.結(jié)論

對兩類空問KK型管板節(jié)點進行了研究，通過有限元參數(shù)分析探討了幾何無量綱參數(shù)、主管應(yīng)力水平等對節(jié)點極限承載力的影響變化規(guī)律：

1）對于無偏心全環(huán)板KK型節(jié)點，全環(huán)板使得主管徑向剛度得到增強，節(jié)點承載力顯著提高。相比無環(huán)板節(jié)點，全環(huán)板KK型節(jié)點與對應(yīng)K型節(jié)點承載力的降幅進一步增大。β變化對節(jié)點承載力影響很?。划擠/t減小時節(jié)點承載力大幅提升；B/D增加對節(jié)點承載力提高作用很小；R較小時，R增加對節(jié)點承載力有明顯提高，但超過一定值后，R繼續(xù)增加帶來的提高作用很小；t_r增加僅在R較小時對節(jié)點承載力有明顯提升；主管受壓時，隨著η增大，節(jié)點承載力直線下降。

2）對于負偏心全環(huán)板KK型節(jié)點，采用負偏心連接基本不能提高節(jié)點承載力，相反會產(chǎn)生不利作用，在該類節(jié)點的設(shè)計中不建議使用負偏心的連接方式。

3）結(jié)合大量有限元參數(shù)分析，針對無偏心全環(huán)板KK型節(jié)點，提出了基于主管控制的節(jié)點承載力計算公式；針對負偏心全環(huán)板KK型節(jié)點，在節(jié)點發(fā)生局部屈曲破壞模式下，提出了考慮負偏心作用的節(jié)點承載力計算公式。通過建議計算方法可以估算第一類破壞模式下節(jié)點極限承載力，用于指導實際工程設(shè)計。