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        桿塔結(jié)構(gòu)兩種主斜材連接節(jié)點(diǎn)研究

        2021-03-13 03:46:32姜玉挺潘連武楊禮東徐偉東
        吉林電力 2021年1期
        關(guān)鍵詞:有限元變形分析

        姜玉挺,潘連武,張 健,楊禮東,徐偉東

        (1.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,長春 130021;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司,沈陽 110006)

        桿塔結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的電網(wǎng)建設(shè)中,整塔分析一般采用有限元桁架模型,分析方法較為明確。但目前對(duì)于桿塔結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分析尚不完善,很多節(jié)點(diǎn)構(gòu)造主要依靠工程經(jīng)驗(yàn),或者過于保守,或者存在隱患,缺乏系統(tǒng)的理論分析[1-3]。

        桿塔結(jié)構(gòu)主材與斜材的節(jié)點(diǎn)連接形式多樣,主要與主材肢寬、斜材桿端螺栓數(shù)量、設(shè)計(jì)習(xí)慣等有關(guān)。各級(jí)電壓等級(jí)的輸電桿塔中,斜材采用兩個(gè)螺栓與主材連接的情況較常見。當(dāng)主材肢寬較寬時(shí),在滿足構(gòu)造要求的情況下,一般將斜材端頭的兩個(gè)螺栓直接打在主材上,不使用節(jié)點(diǎn)板,此種連接傳力明確,操作簡(jiǎn)便。但是當(dāng)斜材螺栓直接打在主材上而螺栓距主材肢尖的距離不滿足構(gòu)造要求時(shí),斜材需要采用節(jié)點(diǎn)板與主材相連,這是十分常見的情況[4-5]。此種情況通常有兩種構(gòu)造方式,第一種是將內(nèi)側(cè)斜材最端頭的螺栓打在主材上,第二個(gè)螺栓通過節(jié)點(diǎn)板與主材相連,但是由于節(jié)點(diǎn)板在主材外部,內(nèi)側(cè)斜材與節(jié)點(diǎn)板之間存在空隙,需添加一個(gè)與主材同厚的墊塊;第二種是將內(nèi)側(cè)斜材的兩個(gè)螺栓全部拉出主材通過節(jié)點(diǎn)板與主材相連,不需墊塊,以上兩種節(jié)點(diǎn)分別稱為節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2。該兩種節(jié)點(diǎn)都十分常用,但哪種節(jié)點(diǎn)的性能更優(yōu)未有定論。本文基于某單回路500 kV工程,采用ABAQUS有限元軟件建立足尺模型,對(duì)兩種節(jié)點(diǎn)多方面性能進(jìn)行對(duì)比分析,為今后的輸電桿塔主斜材的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

        1 力學(xué)性能對(duì)比分析

        1.1 有限元模型建立

        采用ABAQUS有限元軟件對(duì)兩種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析,嚴(yán)格按照構(gòu)件尺寸與材質(zhì)以及負(fù)頭等空間位置關(guān)系建立模型,主材為Q420L140×10,上斜材為Q345L75×6,下斜材為Q345L80×6,節(jié)點(diǎn)板為Q345-8。螺栓與鋼材之間以及節(jié)點(diǎn)板與鋼材之間建立雙向摩擦接觸,切向采用庫倫摩擦模型,法向采用“硬接觸”,同時(shí)給螺栓施加預(yù)緊力。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元類型選用C3D8R,考慮幾何非線性與材料非線性對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化分析[6-10]。考慮正側(cè)面斜材的同時(shí)作用以及節(jié)點(diǎn)2的內(nèi)側(cè)斜材碰撞切肢情況,建立的兩種節(jié)點(diǎn)足尺模型見圖1。

        圖1 兩種節(jié)點(diǎn)足尺模型

        1.2 荷載與約束

        有限元模型主材底部采用三向鉸接約束,頂部約束平面外兩個(gè)水平方向,軸向施加由整塔分析提取的軸向力。上下斜材通過建立局部坐標(biāo)系將與桿長垂直的兩個(gè)方向進(jìn)行鉸接約束,沿桿長方向施加軸向力,采用多荷載逐步施加,起始荷載為整塔分析提取的桿件軸力,上下斜材軸力等比例增加。

        1.3 結(jié)果分析

        節(jié)點(diǎn)1分析結(jié)果見圖2,由于螺栓的應(yīng)力較大,為了更好地顯示桿件應(yīng)力,在云圖中將螺栓隱藏。由于內(nèi)側(cè)斜材的受壓效應(yīng),主材與節(jié)點(diǎn)板受到擠壓,產(chǎn)生較大的應(yīng)變,進(jìn)而達(dá)到屈服強(qiáng)度,直至破壞,此時(shí)施加于斜材的最大軸向力為112.3kN。主斜材中線交點(diǎn)處變形最大,為6.7mm。

        圖2 節(jié)點(diǎn)1分析結(jié)果(隱藏螺栓)

        節(jié)點(diǎn)2分析結(jié)果見圖3,受壓下斜材兩肢交點(diǎn)處由于變形較大首先達(dá)到屈服強(qiáng)度,之后其他斜材與節(jié)點(diǎn)板接觸位置陸續(xù)達(dá)到屈服強(qiáng)度,直到節(jié)點(diǎn)因變形過大而不能繼續(xù)承載,此時(shí)施加于斜材的最大軸向力為97.7 kN。受壓下斜材兩肢交點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)板接觸位置變形最大,達(dá)到27.9 mm,其次是拉出的上斜材兩肢交點(diǎn)處變形較大。由于斜材拉出,受壓時(shí)節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大的面外變形,兩肢交點(diǎn)離主材邊緣越遠(yuǎn),代表其懸挑越大,則其變形越大,進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。

        圖3 節(jié)點(diǎn)2分析結(jié)果(隱藏螺栓)

        以上結(jié)果顯示,節(jié)點(diǎn)1由于節(jié)點(diǎn)板較小,桿件與節(jié)點(diǎn)板可以更好地協(xié)同傳力,主材的強(qiáng)度與剛度對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能貢獻(xiàn)較大;節(jié)點(diǎn)2由于節(jié)點(diǎn)板較大,節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度主要與節(jié)點(diǎn)板的面外變形有關(guān),桿件與節(jié)點(diǎn)板協(xié)同工作效果較弱,節(jié)點(diǎn)1的承載能力高于節(jié)點(diǎn)2的承載能力15%左右,且節(jié)點(diǎn)1的剛度遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)2。

        2 用鋼量及安裝對(duì)比分析

        2.1 用鋼量對(duì)比

        節(jié)點(diǎn)2相比于節(jié)點(diǎn)1雖板型增大,但無墊塊,同時(shí)斜材長度有所減少,兩種節(jié)點(diǎn)具體用鋼量見表1。

        節(jié)點(diǎn)2質(zhì)量較節(jié)點(diǎn)1增加0.54kg,所增質(zhì)量對(duì)于桿塔結(jié)構(gòu)用鋼量而言基本可以忽略不計(jì)。

        表1 兩種節(jié)點(diǎn)用鋼量對(duì)比 kg

        2.2 安裝便捷性對(duì)比

        經(jīng)過大量工程實(shí)踐以及相關(guān)塔廠與施工單位反映,節(jié)點(diǎn)1由于存在墊塊較節(jié)點(diǎn)2更不易安裝,同時(shí)墊塊容易丟失,部分施工單位以多個(gè)墊片來代替墊塊,塔位安全性將存在很大隱患。同時(shí)節(jié)點(diǎn)1的主材內(nèi)側(cè)正側(cè)面角鋼一般存在相碰的情況,需要做切肢處理,這也增加了塔廠加工放樣的工作量。

        通過以上分析,在安裝便捷性方面,節(jié)點(diǎn)2顯著優(yōu)于節(jié)點(diǎn)1。

        3 結(jié)論

        主材內(nèi)側(cè)斜材直接打在主材上的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能優(yōu)于斜材拉出主材的節(jié)點(diǎn)連接,兩種節(jié)點(diǎn)用鋼量基本相當(dāng),內(nèi)側(cè)斜材拉出主材的節(jié)點(diǎn)施工便捷性明顯優(yōu)于斜材伸入主材內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)連接。就實(shí)際工程而言,塔身斜材一般由長細(xì)比控制,節(jié)點(diǎn)受力較小,考慮到切肢與安裝的復(fù)雜性,推薦采用節(jié)點(diǎn)2的連接方式。橫擔(dān)下平面等部位的斜材長細(xì)比一般較小,節(jié)點(diǎn)受力較大,推薦采用節(jié)點(diǎn)1的連接方式。

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