高压输电塔Q460高强钢管节点承载力试验及理论分析

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钢管输电塔具有受力性能好、迎风面体型系数小、整体稳定性高等优点,在输电线路中越来越广泛。高压输电塔中节点的形式多样、杆件众多、受力复杂,是输电杆塔结构设计研究的重点。国外的一些技术规范给出了单插板节点的承载力计算公式,但计算公式中未考虑主管管径、轴力等综合因素的影响,且计算结果偏于保守,造成了材料的浪费。随着输电杆塔荷载越来越大,现有的节点形式已无法继续满足承载力的要求。为了解决上述问题,本文提出了2种新型Q460高强钢管节点:钢管插板节点和钢管环向板节点,通过试验深入研究节点的失效模式、受力机理,并探讨节点的承载力计算理论。  试验中共设计了2个单插板节点、2个平行插板节点和3个钢管环向板节点,试件分别考虑了节点板长度、1/4环向加劲肋的有无和环板悬臂宽度的变化对钢管节点受力性能的影响。  本文的主要研究内容和结论如下:  (1) Q460高强钢管节点承载力特性试验研究  开展了复杂受力下Q460高强钢管节点的足尺试验,考察了节点承载力特性、失效模式及应力应变发展特性。2个单插板节点失效模式均为受压侧节点板端部的钢管发生局部屈曲破坏,节点板长度的增加能提高节点的承载力。平行插板无加劲肋节点失效模式为受压侧节点板端部的钢管发生局部屈曲破坏,而平行插板1/4环向加劲肋节点失效模式有较大差异,表现为受压侧加劲肋截面主管整体压陷。加劲肋的设置提高了节点板端部截面处局部刚度,减缓了应力集中现象,大幅提高了节点的极限承载力。钢管环向板节点失效模式为环向板发生平面内弯曲,受压侧环向板外侧钢管发生局部屈曲破坏。在一定程度上,悬臂宽度的增加能提升环向板的整体刚度,使节点的承载力得到提升。  (2) Q460高强钢管节点的非线性有限元模拟及承载力影响参数分析  利用ANSYS有限元软件,开展了试验节点的非线性有限元分析,研究了钢管节点的失效模式、承载力特性及应力-应变发展分布规律,并与试验结果进行比较。结果表明两者吻合较好,有限元建模方法可行有效,同时深入研究了Q460高强钢管节点承载力特性的影响因素。单插板节点重点考察了主管管径、壁厚、节点板长度、主管轴力等参数的影响。平行插板节点既要考虑单插板的承载力影响因素,还需考虑插板间距对承载力的影响。对平行插板1/4环向加劲肋节点而言,主管管径、壁厚、节点板长度、插板间距、环向加劲肋厚度和主管轴力对节点承载力的影响较大。影响钢管环板节点承载力的主要因素是主管管径、环板的悬臂宽度和厚度、主管轴力。  (3) Q460高强钢管节点承载力计算理论分析  利用虚功原理对Q460高强钢管节点计算方法进行了探讨,结合试验研究、有限元分析及影响参数分析结果得到钢管节点承载力的建议计算公式;并将节点的计算值与规范计算值、有限元值、试验值进行对比。结果表明规范公式计算结果偏于保守,建议公式计算结果与试验、有限元吻合较好,本文建议计算方法具有一定的可靠性,可供实际工程设计使用。  最后,对本文的研究工作进行归纳和总结,并提出了今后有待进一步解决的研究课题。
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