华超 练城凌 杨靖怡 葛怀微 舒大林
重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331
摘要：输电塔结构在遭受极限荷载时，通常为交叉斜材角钢的失稳引起塔架结构整体失稳。目前国内交叉斜材采用等边角钢的较多，不等边角钢几乎没有涉及。交叉斜材，采用等边角钢，导致面外、面内的变形相差过大，对结构承载力设计极为不利。如果采用不等边角钢，充分的利用短肢作为连接肢的优势，可有效提高平面外的抗弯刚度，减小平面内外的变形差距，间接的节省了钢材，使节间具有良好的稳定承载力和经济性要求。本文选取了3种塔架常见的节间形式，通过ANSYS建模探究其失稳模式，发现节间I为面内面外共同屈曲，节间II、III主要为面外屈曲。
关键词：输电塔；交叉斜材；破坏形态；数值模拟
Abstract: when the transmission tower structure is subjected to the ultimate load, the instability of the cross angle steel usually causes the overall instability of the tower structure. At present, the equal angle steel is widely used in domestic cross diagonal members, and the unequal angle steel is almost not involved. It is very disadvantageous to the design of structural bearing capacity because of the large difference of deformation between out of plane and in-plane due to the use of equilateral angle steel for cross diagonal members. If the unequal angle steel is used and the advantages of short leg are fully used as the connecting leg, the bending stiffness outside the plane can be effectively improved, the deformation gap inside and outside the plane can be reduced, and the steel can be indirectly saved, so that the joints have good stable bearing capacity and economic requirements. In this paper, three common types of tower joints are selected, and their instability modes are explored through ANSYS modeling. It is found that joint buckling of joint I is in-plane and out of plane, and joint buckling of joint II and III is mainly out of plane.
Key words: transmission tower; Cross diagonal; Failure mode; Numerical simulation.
引言
随着我国输电塔建设不断升级，同塔出现多回路、大跨度、大截面导线等输电新技术的推广应用，输电线路杆塔大荷载、大型化的趋势愈发明显。杆件尺寸的增加，交叉斜材的尺寸长度也逐渐增大，为提高承载力在平面内设置辅材，其斜材面内、面外刚度与承载力差别较大，对结构设计不利。相较于等边角钢，不等边角钢作为斜材时，可以发挥长肢的刚度优势，降低断肢的富裕度，是截面可有效减小平面内、外的承载力差距，充分的利用材料，是构件更好地满足经济性和承载力的要求。
国内外的学界及工程界对输电塔进行了广泛的研究。Behncke.R[1-3]与Kmep.A.R先后完成了25组交叉斜材为等边角钢的节间实验，得到了破坏和失稳模式，并证明了主材与斜材倾斜角度、长细比等对交叉斜材受力性能的影响。Donald D.Cannon等[4]运用反力架，对交叉斜材分别采用等边角钢和不等边角钢进行承载力试验提出了相应计算的建议。
目前，不等边角钢作为交叉斜材在国外输电塔应用较为广泛，但在国内，不等边角钢尚未在实际输电塔工程中展开应用。我国《钢结构设计规范》GB50017-2017[5]和电力行业标准《架空送电线路杆塔设计结构技术规定》DL/T5154-2012[6]也未明确给出不等边角钢构件设计方法。李妍[7]通过节间实验和有限元分析，证明了输电塔交叉斜材采用不等边角钢有明显的优势。综上，对输电塔的交叉斜材主要针对等边角钢不等边角钢研究的很少。
本文在上述研究的基础上，通过对规范及现有的真型塔模型，选取了三种不同的节间形式，展开有限元参数分析，对不同的内力比探索不等边角钢交叉斜材的破坏形式和稳定承载力，并提出工程建议。
1有限元分析
1.1材料的本构关系
本文中钢材的本构关系选取ANSYS软件中自带的弹塑性模型，满足VonMises屈服原则。其中弹性模量为206GPa，切线模量取弹性模量的1%。模型材料及辅材采用Q235材料，主材采用Q420材料。表达式如式（1.1）所示。
.png)
式中：为钢材的弹性模量；fy为钢材的屈服强度；
1.2有限元模型建立
为了精确的模拟输电塔节间交叉斜材的受力性能，节间采用SHELL181壳单元，螺栓采用SOLID186进行建模。节间模型是由多根角钢交叉拼装而成，由于螺栓数量众多，若对每一根角钢螺栓孔全部进行开洞是不现实的，一是会造成网格划分难度增大，且单元容易出现畸形，二是在前人的试验过程中，交叉斜材的交点，主材、斜材与辅材的之间未出现转动，因此直接采用节点耦合连接，以简化模型。在进行计算前，需要确定边界条件。根据试验及工程实际情况，在模型底部非加载端进行X、Y、Z三个方向的平动自由度及X、Y两个转动方向自由度进行约束，加载端及主材与斜材，主材与辅材连接处进行平面外约束。具体三种节间模型如图1.2所示。
.png)
图1.1节间有限元分析模型
1.3有限元模型验证
1.3.1破坏形态
图1.3-图1.8分别为节间I、II、III在各个工况下的面外位移以及交叉斜材等效应力分布图。为了清晰看到节间变形，所所有节间变形结果放大10倍。从有限元结果来看，三种对称节间在相互相反的作用力下，结构的变化趋势相一致，两类角钢主要发生平面外屈曲破坏，在极限状态下面外变形都非常大，且位置大概在交叉斜材交点处附近压杆下端，且最大值可达到170mm。不等边角钢受压材料在面内变形比等边角钢更为明显，呈现波浪形变形。相同对称节间在两个互相相反的推力下承载力计算结果与面外位移完全是一致的。在两类加载方向相反情况下也均是面外位移变形方向相反。
从交叉斜材应力分布图上可以看出，两类角钢交叉斜材绝大部分区域处于弹性阶段，应力小于屈服应力，只有部分进入塑性阶段，两根斜材交点处和辅材与斜材下部交点处应力可达到242MPa，螺栓孔壁处由于应力集中的原因，该区域的应力也达到顶端。两类角钢的应力相差不大，基本呈对称分布。
.png)
（a）位移分布图（单位：mm） （b）等效应力分布图（单位：MPa）
图1.8节间II左推时有限元计算结果
结语
本文建立了三种常见的输电塔节间形式的有限元模型，在作用力相反的情况，节间I的破坏形态为面内面外共同屈曲破坏，屈服位置主要从压杆长段的中间开始。节间II、节间III主要为面外屈曲破坏，失稳轴靠近平行轴。
参考文献：
[1]Kemp.A.R, Behncke R.H. Behavior of cross-bracing in latticed towers[J]. Journal of Structural Engineering, 1998, 124(4):360-367.
[2]BEHNCKE.R.H. Behavior of crossed diagonals in transmission line lattice towers[D]. Johannes-burg: University of the Witwaterstand,1986.
[3]BEHNCKE.R.H. An experimental and theoretical investigation of the structure behavior of cross-bracing in transmission line steel towers[D]. Johannesburg: University of the Witwaterstand,1992.
[4]Cannon D.D, Nickerson R. Results of TLMRC research on X-bracing strength in lattice transmission towers[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1993, 8(1):285-293.
[5]GB 50017-2017.钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2017.
[6]DL/T 5154-2012.架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国电力出版社, 2012.
[7]李妍. 输电塔不等边角钢构件稳定承载力理论及试验研究[D].重庆大学,2017.