陳振　劉俊豪

摘 要：采用ANSYS有限元分析軟件對該節(jié)點建立三維有限元模型，進行了靜力分析，以得到該類結(jié)構(gòu)體系在靜力荷載作用下的受力性能。結(jié)果表明：支座底板下加勁肋下部的加強環(huán)能有效降低節(jié)點區(qū)的應(yīng)力幅值，節(jié)點最大應(yīng)力發(fā)生在加勁肋下部的加強環(huán)與下柱相交處，并滿足強度要求。

關(guān)鍵詞：輸電塔;節(jié)點;有限元;靜力分析

中圖分類號：TM75;TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0185-04

Analysis and research of transmission tower upper and lower column joints based on finite element solution

Abstract： In this paper， a three-dimensional finite element model of the joint is established by using ANSYS finite element analysis software， and the static analysis is carried out. The results show that the reinforcement ring at the lower part of the stiffener under the base plate of the support can effectively reduce the stress amplitude in the joint area the maximum stress of the joint occurs at the intersection of the stiffener ring and the lower column， which meets the strength requirements.

Key words： transmission tower;node;finite element;static analysis

國內(nèi)外的變電站構(gòu)架大多以型鋼為主材。圓形鋼管的力學性能優(yōu)異且經(jīng)濟性良好，故由多個支管組成的圓鋼管空間節(jié)點便成為變電站構(gòu)架中最普遍的節(jié)點形式。但變電站構(gòu)架中的節(jié)點構(gòu)造與受力均較復雜，必須通過試驗或有限元進行受力分析。

目前已有較多學者對鋼管節(jié)點的受力性能進行了數(shù)值分析。例如，有采用屈服線模型對鋼管節(jié)點的極限承載力進行了簡化理論分析，計算獲得的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好[1]。有對輸電塔十字插板連接節(jié)點強度進行分析，驗證了十字插板連接節(jié)點受力性能良好，但主管管壁與節(jié)點板及頂部環(huán)向肋板交匯處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯[2]。有對鋼管輸電塔環(huán)型加肋節(jié)點極限承載力進行了研究，發(fā)現(xiàn)除主管壁厚、管徑、節(jié)點板長度、現(xiàn)時狀態(tài)下屈服區(qū)域內(nèi)中截面特征點撓度外，鋼管環(huán)型加肋節(jié)點的承載力還受其他因素的影響，包括環(huán)型加肋板的高度、厚度以及節(jié)點板連接的單雙側(cè)，這主要是因為環(huán)型加肋板使節(jié)點的承載力有所提高，并且減少了鋼管與節(jié)點板和環(huán)板連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]。

復雜節(jié)點的力學性能與整體結(jié)構(gòu)的承載力息息相關(guān)，但是實際工程設(shè)計中往往僅基于計算假定進行結(jié)構(gòu)整體分析及構(gòu)件強度計算，未對具體節(jié)點進行相對深入的分析研究。此外，對于復雜節(jié)點的受力分析，沒有恒定的構(gòu)造與計算模塊，每個節(jié)點研究的構(gòu)造與方法都不同。因此，本文對某變電站構(gòu)架節(jié)點進行有限元數(shù)值模擬，以探究并分析節(jié)點的受力性能。

1 節(jié)點概況

1.1 節(jié)點形式

本文選取某變電站構(gòu)架的角部輸電塔上下柱變截面處節(jié)點進行分析，該節(jié)點由鋼管外節(jié)點板、豎向加勁肋、鋼管內(nèi)肋板等組成，其構(gòu)造形式較為復雜。該節(jié)點與兩個方向的三角形桁架相連，存在上柱與桁架傳遞過來的荷載，受力較為復雜。該節(jié)點的構(gòu)造如圖1所示。節(jié)點板和加勁肋采用Q235B鋼材，管件的規(guī)格如表1所示。

1.2 節(jié)點荷載

節(jié)點所在的構(gòu)架處在整個構(gòu)筑物的角上，節(jié)點承接互成90°的桁架傳來的荷載，如圖2所示。

2 節(jié)點有限元受力分析

2.1 節(jié)點有限元模型的假設(shè)

節(jié)點結(jié)構(gòu)主要通過焊接的方式連接組成，無相對運動的零部件，因此，本文將基于以下3點假設(shè)來建立節(jié)點的有限元模型：

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接完全可靠，結(jié)構(gòu)構(gòu)件間已全部焊透，不存在焊接殘余應(yīng)力，在分析時可忽略焊腳高度對結(jié)構(gòu)的影響;

（2）忽略支座結(jié)構(gòu)中任何安裝和制造變形，僅依據(jù)圖紙的理想結(jié)構(gòu)來建模;

（3）鋼板與鋼管壁厚遠遠小于其它方向的尺度，可不考慮沿厚度方向的應(yīng)力。

2.2 單元類型與約束條件

由于此節(jié)點構(gòu)造復雜，模型尺寸較大，同時保證關(guān)鍵部位計算的精確度，根據(jù)殼單元的特性，在建立幾何模型時，可采用其中性面建立。在這里，采用了ANSYS軟件中的殼單元SHELL181，該單元有4個節(jié)點數(shù)，每個節(jié)點有6個自由度。由于結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性較多，劃分網(wǎng)格時優(yōu)先采用映射網(wǎng)格劃分，共劃分了殼單元18 706個，節(jié)點18 488個，如圖3所示。

考慮本項目中上下柱相交處節(jié)點有較大荷載，且節(jié)點處的應(yīng)力分布是研究的重點。由于選用輸電塔中的節(jié)點，節(jié)點下部可模擬為固接邊界條件，故在下柱遠離節(jié)點處設(shè)置為固定約束。

2.3 有限元計算結(jié)果

通過ABAQUS軟件后處理模塊，采用大型通用CAE軟件ANSYSWorkbench網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行了分析計算，其計算結(jié)果如下，其中坐標系如圖3所示?？傻玫焦?jié)點變形、應(yīng)力云圖、位移等結(jié)果。

2.3.1 變形結(jié)果

在設(shè)計荷載作用下，節(jié)點總變形分布如圖4所示，最大變形發(fā)生在在節(jié)點底板短直邊下的加勁肋處，總位移與各方向最大的位移如表2所示。

2.3.2 應(yīng)力結(jié)果

（1）下柱的應(yīng)力分布云圖。如圖5所示為下柱處的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于加勁肋的下部加強環(huán)處，其值為149 MPa;

（2）支座底板的應(yīng)力分布云圖。如圖6所示為支座底板處的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于加勁肋的下部加強環(huán)處，其值為49.3 MPa;

（3）加勁肋的應(yīng)力分布云圖。如圖7所示為加勁肋的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于底邊短直邊下的加勁肋處，其值為70.6 MPa。

（4）上柱的應(yīng)力分布云圖。如圖8所示為上柱的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于底邊短直邊下的加勁肋處，其值為3.2 MPa。

整個節(jié)點的應(yīng)力最大值在下柱，其應(yīng)力分布云圖如圖所示，最大應(yīng)力位于加勁肋的下部加強環(huán)處，其值為149 MPa。

3 結(jié)語

本文以輸電鐵塔鋼節(jié)點作為研究對象，因節(jié)點構(gòu)造復雜，不易使用常規(guī)受力分析，因此采用ANSYS軟件對其進行有限元分析受力分析。

其中，采用殼單元SHELL181進行網(wǎng)格劃分，最終計算得到節(jié)點不同方向的各自的變形和節(jié)點總的變形以及節(jié)點最大應(yīng)力的所在處，可得以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理。通過分析可知節(jié)點在設(shè)計荷載下，各區(qū)域應(yīng)力未超過節(jié)點材料的屈服強度，整體應(yīng)力水平較低，且節(jié)點區(qū)并未出現(xiàn)較大的變形;

（2）最大應(yīng)力發(fā)生支座底板下的加勁肋下部的加強環(huán)與下柱相交處，建議此加強環(huán)加大，延伸至下部兩柱間的節(jié)點板處，以保證節(jié)點的安全可靠性。

【參考文獻】

[1]余世策，孫炳楠，葉尹，等.高聳鋼管結(jié)點極限承載力的試驗研究與理論分析[J].工程力學，2004，21（3）：155-161.

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[5]GB50017─2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國計劃出版社，2013.

收稿日期：2021-03-21;修回日期：2022-04-10

作者簡介：陳 振（1995-），男，碩士，研究方向：建筑與土木工程。