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输电塔是一种重要的高耸结构,我国从上个世纪已经开始发展建设。近年来,电网建设快速发展,输电塔正向着高耸、大跨及特高压方向发展,相应的输电杆塔结构越来越大型化,传统的角钢已不再适用于大型塔架结构。相反,钢管构件具有风压小,受力性能好等优点在大型杆塔结构如大跨越塔、特高压输电塔中应用广泛。输电杆塔结构大型化的同时对节点的安全可靠性也提出了更高的要求,而目前关于钢管杆塔节点的设计理论还存在诸多不完善的地方,需要进行相应的理论和试验研究。与此同时,传统节点连接型式在应用到大型输电杆塔中也存在一些缺陷,为此,本文提出了多种新型节点。基于上述分析,本文的研究主要包括传统法兰节点受弯性能研究、新型内外法兰节点受弯性能研究、新型内外法兰及新型双层法兰拉压受力性能研究、K型管板节点力学性能研究和新型十字节点板受拉性能研究。
本文首先对传统刚性法兰节点受弯力学性能进行了研究,根据节点构造特点,指出最大螺栓拉力的确定是整个节点研究的关键,通过试验和有限元非线性分析,重点考察了节点的破坏模式和极限承载力、法兰板的受力特点、螺栓群的受力分界线、最大螺栓拉力。试验结果与有限元分析结果具有较好的一致性,研究结果表明,计算螺栓拉力的旋转轴位置会随着法兰参数的变化而变化,但总的变化幅度不大,最后,提出了计算螺栓拉力旋转轴位置的设计建议值。
为考察新型内外法兰节点受弯力学性能,首先将内外法兰与传统法兰的传力特点进行了对比分析,指出内外圈最大螺栓拉力的确定是该新型法兰节点研究的关键,提出了内外法兰螺栓拉力的计算模型,在此基础上,通过试验和有限元分析,考察了法兰板及肋板的应力分布特点、螺栓群的受力分界线,重点对内外圈最大螺栓拉力进行了深入研究。试验和有限元分析结果表明,内外法兰受弯性能良好,可用于实际工程;螺栓拉力的旋转轴位置是变化的,但总的变化幅度不大,最后提出了相应的设计建议公式。
为考察内外法兰、双层法兰在轴力作用下的力学性能,通过试验和有限元非线性数值分析,对于前者,重点考察了外内圈螺栓的受力特点,外内圈螺栓拉力的比值,根据研究结果,提出了相应的设计建议公式;对于后者,重点研究了上、下法兰板的受力特点和计算方法,并提出了上下法兰板厚度的设计建议公式。
K型管板节点是大型输电钢管塔结构中最重要的节点之一,为考察其力学性能、破坏模式和极限承载力,进行了4个大尺寸无偏心、负偏心K型管板节点的静力试验,研究结果表明,负偏心节点安全可靠,可用于实际工程;无偏心、负偏心两种节点的受力性能和破坏模式基本相同。为对K型管板节点的极限承载力进行深入研究,在试验的基础上,对试验加载过程进行了有限元非线性数值分析,研究了各重要参数对节点极限承载力的影响,并将分析结果与各国相关规范建议值进行了对比,在此基础上,提出了K型管板节点的极限承载力计算公式;根据研究结果,指出主管轴力对其节点极限承载力有较大影响,提出了考虑主管轴力的两段线折减系数模型;最后还就肋板对节点的极限承载力的影响幅度进行了评价。
为研究新型十字节点板的力学性能,首先对普通节点板的计算理论和国内外相关规范进行了系统的阐述,在此基础上,通过试验和有限元分析,重点研究了节点板的破坏模式和极限承载力,研究结果表明,在极限状态下,主节点板拉剪区已进入塑性,出现典型的块体剪切破坏,而次节点板拉剪主要区域处于弹性状态,为此,提出了十字节点板的极限承载力公式并给出了节点板厚度的设计建议公式。
最后,对本文所做的工作进行了总结,并对进一步的研究方向进行了讨论。