朱詩羽，高一然，鄧洪洲，趙慶斌

（1.同濟大學，上海 200092；2.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016）

0 引言

近年來，我國山區(qū)輸電線路增多［1］。自立式輸電塔屬于柔性結構［2］，若山區(qū)立塔采用常規(guī)高低腿，對陡峻山區(qū)基礎進行改造的大開挖方式，如圖1（a）所示，不僅增加施工成本和建設周期，同時也破壞植被、環(huán)境。陡峻山區(qū)中很多塔位坡度已經達到50°以上，為解決陡峻山區(qū)立塔困難的問題，將輸電塔塔腿采用過渡段連接設計，如圖1（b）所示，可減小基坑開挖量以及塔基降方量，方便施工，降低成本，同時降低對環(huán)境的影響。

圖1 輸電塔

很多學者對平腿輸電塔塔腿節(jié)點的受力性能進行了研究，吳靜［3］采用有限元法，研究發(fā)現節(jié)點板的長度和腹桿與弦桿的夾角對節(jié)點極限承載力的影響。洪洲澈等［4］研究主材考慮次彎矩作用的輸電鋼管塔腿主材，按照壓彎構件計算。帥群等［5］指出如輸電塔的塔腳節(jié)點在節(jié)點區(qū)域以外，塔身的彎矩全部由鋼管截面承擔，在環(huán)板以下的節(jié)點區(qū)域，塔身的彎矩變成由鋼管截面、環(huán)板、節(jié)點板以及肋板共同承擔。但是以上研究并沒有對內側桿件存在偏心的節(jié)點進行分析，對此類節(jié)點進行研究，可以解決工程中加過渡段輸電塔塔腿橫隔面節(jié)點的設計問題。

DL／T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》規(guī)定［6］輸電塔設計時塔腿主斜材間夾角不應小于15°。而塔腿采用過渡段連接時，兩條塔腿過渡段會出現內側桿件夾角小于15°的情況，兩根過渡段內側桿件軸線很難交于一點，需要將兩根桿件向兩側偏移，產生偏心距，由此產生了附加彎矩，因此有必要對橫隔面和過渡段內側桿件連接處的節(jié)點進行分析。

橫隔面上一段塔身有的存在倒K型斜材設計，有的是直接采用交叉材，沒有倒K型斜材。有倒K型斜材時橫隔面和塔腿斜材的軸力較沒有倒K型斜材時要大，但對于含過渡段塔腿的輸電塔來說，含過渡段塔腿和不含過渡段塔腿的長度差異比較大，因此塔身兩側的剛度差異也比較大，橫隔面受力較平腿和常規(guī)高低腿輸電塔大。

在成蘭鐵路阿壩松潘牽引站供電工程中，以500 kV轉角塔SJC3和220 kV轉角塔SJC1的過渡段橫隔面節(jié)點為研究對象，通過輸電塔內力分析軟件TTA和有限元分析軟件ANSYS分析過渡段橫隔面節(jié)點的受力性能，對節(jié)點構造進行研究，并總結出適用于該類節(jié)點的計算公式，并對橫隔橫桿是否應插入過渡段和塔腿斜材間進行分析。

1 有限元模型的建立

在有限元分析軟件ANSYS中建立節(jié)點模型，桿件采用角鋼構件，在TTA模型中查詢兩模型含過渡段長腿組合中該節(jié)點相關桿件的最大內力，并由此計算各桿件的螺栓配置并放樣，500 kV轉角塔SJC3過渡段橫隔面節(jié)點如圖2（a）所示，220 kV轉角塔SJC1過渡段橫隔面節(jié)點如圖2（b）所示。

在TTA模型中查詢SJC3和SJC1的所有塔型和含過渡段長腿組合中該節(jié)點相關桿件的最大內力，將最大內力對應的關鍵點荷載導入ANSYS中，查得該情形下的桿件內力方向及分配比例，SJC3桿件內力方向及加載比例如表1所示，SJC1桿件內力方向及加載比例如表2所示，施加額定荷載為25 kN，其中正值代表拉力，負值代表壓力。

圖2 橫隔面節(jié)點

表1 SJC3橫隔面節(jié)點加載比例

表2 SJC1橫隔面節(jié)點加載比例

采用shell181單元［7］在ANSYS中建立過渡段橫桿和節(jié)點板模型，并采用目標單元targe170和接觸單元conta173建立橫桿和節(jié)點板的接觸對，塔身斜材和橫隔面材及其他輔材均采用Q345鋼，抗拉強度標準值 fy=345 MPa，彈性模量 E=2.06×105N／mm2。 接觸摩擦系數取0.35，模型中橫桿長度取總長度一半，橫桿下端按固定支座考慮，上端按橫桿軸線有位移的滑動支座考慮，建立的有限元模型如圖3～4所示。

圖3 SJC3橫隔面節(jié)點有限元模型

圖4 SJC1橫隔面節(jié)點有限元模型

2 受力性能分析

2.1 SJC3橫隔面節(jié)點（橫隔面上無K型斜材）

1）偏心距對該節(jié)點承載力的影響。

在研究偏心距對該節(jié)點承載力的影響前，首先試算一下沒有偏心的情況，此時，需要把節(jié)點板長度增大到兩根過渡段內側桿件上的螺栓孔可以擺放開，有限元分析的應力云圖如圖5所示。

圖5 SJC3橫隔面節(jié)點無偏心情況下的應力云圖

可以看出，由于過渡段內側桿件間夾角很小，間距較近，方向相反，對節(jié)點板有剪切作用，其破壞模式為過渡段內側桿件附近的節(jié)點板應力很大而發(fā)生破壞，此時荷載為814 kN，為設計荷載的1.94倍。

研究極限承載力受偏心距影響時，只更改偏心距，以偏心距為140 mm為例，分別提取橫桿加載端a1、過渡段內側桿件加載端b1，b2處的時間步和位移并繪出荷載—位移曲線，如圖6所示。

圖6 偏心距140 mm時各桿件荷載位移曲線

從圖6可以看出，3處的荷載位移曲線終點值位移值已經很大，不能作為達到極限承載力狀態(tài)，根據相關資料，可以認為位移增量很大但荷載增量很小時節(jié)點達到極限承載力，上述3條曲線位移突然增大的點的荷載步幾乎相同，此時的荷載577.5 kN為設計荷載的1.38倍，應力狀態(tài)如圖7所示。

圖7 SJC3橫隔面節(jié)點在設計荷載1.38倍時的應力云圖

從圖7中可以看出，在該時間步時，橫桿上的應力已經由于偏心距產生的彎矩變得很大了，已幾近產生塑性鉸，取圖8中所示的應力狀態(tài)對應的荷載作為該節(jié)點在這種情況下的承載力狀態(tài)。

圖8 SJC3橫隔面節(jié)點在設計荷載1.04倍時的應力云圖

以b1桿為例，該桿的設計荷載值為420 kN，這種情況中的承載力值為435 kN，為設計荷載的1.04倍。采用類似的分析方法，將不同偏心距的極限承載力列于表3。

表3 SJC3橫隔面節(jié)點在不同偏心距下的承載力

可以看出，隨著偏心距的增大，節(jié)點的極限承載力降低，當達到該節(jié)點的設計偏心距140 mm時，該節(jié)點的承載力為設計荷載的1.04倍。

2）桿件角鋼規(guī)格對該節(jié)點承載力的影響。

在偏心距為140 mm、節(jié)點板厚為14 mm不變的前提下，更改橫桿的角鋼規(guī)格，并將結果列于表4。

表4 SJC3橫隔面節(jié)點角鋼規(guī)格變化的承載力比較

可以看出，增大角鋼規(guī)格是提高節(jié)點承載力的一種方法，角鋼每增厚2 mm，承載力增加10%左右。

3）節(jié)點板厚對該節(jié)點承載力的影響。

在偏心距為140 mm、橫桿角鋼規(guī)格為110 mm×10 mm不變的前提下，更改節(jié)點板厚，并將結果列于表5。

表5 SJC3橫隔面節(jié)點厚度變化的承載力比較

可以看出，增大節(jié)點板厚是提高節(jié)點承載力的一種方法，節(jié)點板每增厚2 mm，承載力增加6%左右。

4）橫桿計算長度對該節(jié)點承載力的影響。

SJC3橫隔橫桿在中點有支撐，在偏心距為140 mm、橫桿規(guī)格為110 mm×10 mm、節(jié)點板厚為14 mm不變的前提下，改變橫桿計算長度，對比中點有無支撐的橫桿承載力，并將結果列于表6。

表6 SJC3橫隔面節(jié)點橫桿計算長度的承載力比較

可以看出，在橫桿中點加支撐是提高節(jié)點承載力的一種方法。

2.2 SJC1橫隔面節(jié)點（橫隔面上無K型斜材）

1）偏心距對該節(jié)點承載力的影響。

與SJC3研究方法相同，在研究偏心距對該節(jié)點承載力的影響前，首先試算一下沒有偏心的情況，此時，兩根過渡段內側桿件上的螺栓孔距離很近，實際情況中兩根桿件是不能擺開的，這里只是為了方便研究，有限元分析的應力云圖如圖9所示。

可以看出，由于過渡段內側桿件間夾角很小，間距較近，方向相反，對節(jié)點板有剪切作用，破壞模式為過渡段內側桿件附近的節(jié)點板應力很大而發(fā)生破壞。

圖9 SJC1橫隔面節(jié)點無偏心情況下的應力云圖

研究極限承載力受偏心距影響時，只更改偏心距，并通過荷載位移曲線判斷承載力狀態(tài)。采用類似的分析方法，將不同偏心距的極限承載力列于表7。

表7 SJC1橫隔面節(jié)點在不同偏心距下的承載力

可以看出，隨著偏心距的增大，節(jié)點的極限承載力降低。

2）桿件角鋼規(guī)格對該節(jié)點承載力的影響。

在偏心距為90 mm、節(jié)點板厚為10 mm不變的前提下，更改橫桿的角鋼規(guī)格，并將結果列于表8。

表8 SJC3橫隔面節(jié)點角鋼規(guī)格變化的承載力比較

可以看出，增大角鋼規(guī)格是提高節(jié)點承載力的一種方法。

3）節(jié)點板厚對該節(jié)點承載力的影響。

在偏心距為70 mm、橫桿規(guī)格為110 mm×8 mm不變的前提下，更改節(jié)點板厚，并將結果列于表9。

可以看出，增大節(jié)點板厚可以大幅度提高橫隔面上無K型斜材節(jié)點的承載力，節(jié)點板每增厚2 mm，承載力增加50%左右。

表9 SJC1橫隔面節(jié)點厚度變化的承載力比較

4）橫桿計算長度對該節(jié)點承載力的影響。

SJC1橫隔橫桿在中點無支撐，在偏心距為70 mm、橫桿規(guī)格為110 mm×8 mm、節(jié)點板厚為10 mm不變的前提下，改變橫桿計算長度，對比中點有無支撐的橫桿承載力，并將結果列于表10。

表10 SJC1橫隔面節(jié)點橫桿計算長度的承載力比較

可以看出，在橫桿中點加支撐是提高節(jié)點承載力的一種方法。

5）卷邊對該節(jié)點承載力的影響。

分別考慮無卷邊、卷邊垂直橫桿軸線、卷邊平行橫桿軸線3種情況下節(jié)點承載力，卷邊厚10 mm、高60 mm，3種情況如圖10所示。

圖10 SJC1卷邊位置

在偏心距為70 mm、橫桿規(guī)格為110 mm×8 mm、節(jié)點板厚為10 mm、中間無支撐的前提下，改變卷邊位置，并將結果列于表11。

表11 SJC1橫隔面節(jié)點卷邊的承載力比較

可以看出，無卷邊與卷邊平行橫桿軸線情況下的節(jié)點承載力基本無差別，而卷邊垂直橫桿軸線情況下承載力有10%左右的提高。這說明節(jié)點區(qū)由于斜材偏心引起的附加彎矩在橫桿附近的影響較大，在垂直橫桿軸線方向將節(jié)點板卷邊，可以有效提高節(jié)點承載力。

3 偏心連接節(jié)點極限承載力計算

3.1 節(jié)點承載力

當節(jié)點處有較大的偏心彎矩時，可根據交匯于節(jié)點的各桿線剛度，將偏心彎矩分配到各桿件。節(jié)點承載力公式為

在算得Mi后，按偏心受力桿件計算各桿強度及穩(wěn)定。

3.2 驗算

從前面的有限元分析可以看出，偏心彎矩對節(jié)點的主要影響在橫桿上，所以只計算橫桿上的應力（SJC3偏心距為140 mm），按偏心受力桿件計算，結果如表12所示（節(jié)點板厚t≤16 mm，Q345設計強度值取310 Mpa）。表12中，中部支撐為有表示橫桿長度取一半，為無時則長度不變；有限元結果比值為有限元得到的橫桿承載力與設計值的比值。

表12 有限元結果與公式結果比較

SJC3橫隔節(jié)點橫桿采用110 mm×10 mm的角鋼時，承載力超過設計荷載，滿足設計要求。當橫桿規(guī)格為110 mm×8 mm時，此時橫桿應力已經超過設計荷載，這與前述有限元分析結果一致。

SJC3橫隔節(jié)點橫桿采用110 mm×10 mm的角鋼，中點有支撐時，承載力超過設計荷載，滿足設計要求。當橫桿規(guī)格不變，中點無支撐時，此時橫桿應力已經超過設計荷載，與前述有限元分析結果一致。

SJC1橫隔節(jié)點，應力滿足要求，有限元分析也滿足要求。

可以看出，按這種方法進行設計計算時，初始設計橫桿規(guī)格即滿足應力要求，且該規(guī)格滿足有限元分析的應力要求，結果偏于保守，所以設計中可以采用上述方法對此節(jié)點進行設計計算。

4 過渡段與塔腿斜材連接節(jié)點

工程中為了便于施工方便，在過渡點與塔腿斜材連接節(jié)點的位置，如圖11所示，把橫桿插入過渡段和塔腿斜材間，將上下兩根斜材切斷。

2個典型鐵塔中，500 kV轉角塔SJC3的過渡段與塔腿斜材連接節(jié)點相關桿件內力最大，因此選取SJC3的桿件內力進行設計和分析。

圖11 過渡段和塔腿斜材連接節(jié)點

4.1 橫桿位置

對于過渡段和塔腿斜材連接節(jié)點，橫桿有插入和不插入過渡段和塔腿斜材間2種設計方法。2種設計方法下的節(jié)點如圖12所示。

圖12 過渡段和塔腿斜材連接節(jié)點橫桿位置

4.2 兩種設計方法的比較

在TTA模型中查詢SJC3的所有塔型和含過渡段長腿組合中該節(jié)點相關桿件的最大內力，將這種工況對應的關鍵點荷載導入ANSYS中，查得該情形下的桿件內力方向及分配比例，并由此決定有限元模型中各桿件加載比例，施加額定荷載為25 kN，如表13所示，其中正值代表拉力，負值代表壓力。

采用shell181單元在ANSYS有限元分析軟件中分別建立2種設計方法的模型如圖13～14所示。加載時只在塔腿斜材進行沿桿軸方向加載，其余各桿件軸向已經固定。

表13 SJC3過渡段和塔腿斜材節(jié)點加載比例

圖13 橫桿插入過渡段和塔腿斜材間

圖14 橫桿不插入過渡段和塔腿斜材間

塔身斜材和橫隔面材及其他輔材均采用Q345鋼，其屈服強度為345 MPa。

第1種情況的荷載位移曲線如圖15所示。

圖15 橫桿插入過渡段和塔腿斜材間荷載位移曲線

在荷載為653 kN即為設計荷載的2.04倍時破壞，此時的應力云圖如圖16所示。

圖16 橫桿插入過渡段和塔腿斜材間設計荷載2.04倍時應力云圖

此時的應力云圖中塔腿斜材的應力已經很大，同樣取圖17所示的應力狀態(tài)對應的荷載為該節(jié)點在這種情況下的承載力，此時的荷載值565 kN為設計荷載的1.76倍。

圖17 橫桿插入過渡段塔腿斜材間設計荷載1.76倍時應力云圖

第2種情況的分析方法與第1種情況相同。從2種情況的有限元分析結果，可以得到2種設計下承載力和變形如表14所示。

表14 SJC3過渡段和塔腿斜材節(jié)點2種設計下承載力和變形比較

可以看出，橫桿在外時的變形比橫桿在內時的變形大3.5%，橫桿在外時的承載力比橫桿在內時的承載力小7%。

橫桿在外時，節(jié)點板尺寸較小，但考慮到過渡段V面交叉材的連接，將橫桿插入過渡段和塔腿斜材間更方便塔腿V面桿件的搭接放置。

5 結語

500 kV轉角塔SJC3和220 kV轉角塔SJC1兩個塔腿過渡段內側桿件夾角較小，軸力較大，所以偏心距比較小時容易出現兩根桿件中間部分節(jié)點板應力過大的現象，當偏心距增大到不影響桿件與節(jié)點板的連接并對桿件間的節(jié)點板應力幾乎沒有影響時，由于偏心距產生的偏心彎矩也隨之增大，這個彎矩作用于橫隔面上的橫桿，發(fā)生破壞。當橫桿滿足軸力和按線剛度分配得到的彎矩共同作用下的驗算時，有限元分析結果也是滿足的。因此在工程中，設計這種有偏心距的橫隔節(jié)點時可以采用按線剛度分配彎矩，然后按壓彎計算橫隔桿件的方法。

減小偏心距、增大角鋼規(guī)格、增大節(jié)點板厚、橫桿中點加支撐是提高節(jié)點承載力的有效方法。對于220 kV轉角塔SJC1橫隔面節(jié)點，從有限元分析結果可以看出，節(jié)點區(qū)由于斜材偏心引起的附加彎矩對橫桿的影響較大，在垂直橫桿軸線此方向將節(jié)點板卷邊，可以有效提高節(jié)點承載力。

對于過渡段和塔腿斜材連接節(jié)點，橫桿在內和橫桿在外2種設計方法下承載力和變形相差不大，采用橫桿在內的設計方法較橫桿在外的設計方法承載力大7%，變形小3.5%，但將橫桿插入過渡段和塔腿斜材間更方便塔腿V面桿件的搭接放置。因此工程中為了便于施工，建議把橫桿插入過渡段和塔腿斜材間。