考虑半刚性节点连接的耐候钢输电塔线体系覆冰受力性能分析

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传统输电塔采用的是热轧镀锌角钢,不仅会在热镀过程中会产生大量的污染问题,而且日后的维护工作较为复杂。随着我国环保意识的增强及国家对于碳高峰碳中和的任务指示,选择用一种免维护的钢材来代替传统的热轧镀锌角钢,作为新型的输电塔材尤为重要。耐候钢作为一种新型的绿色钢材,在钢材表面形成锈蚀层后,就不会继续腐蚀内部金属。但耐候钢与普通高强螺栓容易在节点处产生电化学腐蚀,使节点刚度下降,需要对其节点处进行更为细致地研究。首先,本论文建立普通钢的典型K型半刚性节点有限元模型,并与文献[1]中的普通钢节点试验数据相比对,分析对照节点的破坏模式及节点的弯矩-转角关系曲线,确认所建立的半刚性节点模型的正确性,可以进行下一步研究。其次,充分考虑耐候钢的摩擦系数大于普通钢(0.55>0.15)及耐候钢腐蚀导致螺栓杆与螺栓孔间距增大等因素,建立耐候钢典型K型半刚性节点有限元模型。通过对比发现:耐候钢节点模型与普通钢节点模型的极限承载力一致,由于耐候钢摩擦力大导致螺栓能提供的承载力提升了12.56%。对耐候钢节点模型进行分析研究,分析模型中主角钢宽度b和厚度1t、节点板尺寸t2、螺栓的间距s及直径d、节点板与主角钢间的偏心距e及螺栓预紧力N等因素对节点承载力的影响,结果表明:对节点承载力有明显影响的因素有主角钢厚度t1,螺栓直径d,螺栓间距s,而主角钢肢宽b,节点板厚度t2,偏心距e,螺栓预紧力N对节点承载力没有显著影响;螺栓预紧力N对节点初始转动承载力起显著影响,其他因素对初始转动承载力影响效果较小。再次,讨论各参数对形状参数n的影响,确定各参数下的形状参数n的取值。建立耐候钢节点初始转动刚度Ki,极限弯矩Mu及相对塑性转角θ0拟合公式,可直接计算得到形状参数n,并进行误差分析,计算结果与模拟值符合良好,验证了公式的准确性。最后,建立导地线有限元模型,建立考虑半刚性节点连接的220k V耐候钢输电塔以及三塔四线输电线路有限元体系,模拟实际运行杆塔覆冰受力情况,考虑了均匀覆冰和不均匀覆冰两大类共计18种覆冰工况。通过计算分析得出:(1)考虑半刚性节点效果后,斜材辅助材受力增加,输电塔塔身应力分布产生变化。考虑半刚性节点与传统刚性模型相比:在自重及覆冰工况下,杆塔整体位移显著增加,平均增加量为15.98%。(2)在相同工况下,由于耐候钢自身摩擦系数高及节点腐蚀特性,输电塔材采用耐候钢后,耐候钢塔模型与普通钢塔相比,杆塔整体位移有小幅度增加,平均增加量为8.72%。因此在实际耐候钢输电塔工程应用中,需要充分考虑结构中半刚性节点的存在给结构稳定性带来的影响。
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