考虑腐蚀状态下螺栓滑移的耐候钢输电塔受力性能分析

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现阶段输电塔塔材应用的热镀锌防锈工艺成本高、污染大。耐候钢作为一种优质耐锈合金钢,在电力工程建设领域有很大应用空间。螺栓滑移问题普遍存在于由大量螺栓连接的输电塔中。耐候钢表面的质密氧化层会改变节点的抗滑移能力,高强螺栓与耐候钢之间的电化学反应也会影响节点的承载力。本文首先从220k V单回路直线猫头型输电塔中选取典型的螺栓连接节点作为研究对象。根据选取的典型节点设计螺栓节点滑移试验,设置钢材种类、螺栓个数、初始扭矩等作为研究参数。对比分析各组滑移曲线可知:耐候钢试件的滑移荷载比无锈蚀普通钢试件的滑移荷载增大21.63%至23.50%,初始扭矩为200 N·m的试件比始扭矩为100 N·m的试件滑移荷载提高106.62%至110.11%。其次建立螺栓节点有限元模型,相同参数的实体模型数据与试验数据进行对比,验证了有限元模型的可靠性。通过数值模探究螺栓杆规格、螺栓个数、螺栓孔间隙、预紧力、钢材强度、钢材种类、角钢肢宽、角钢厚度等参数对滑移曲线的影响。螺栓个数增多,节点的滑移荷载和节点承载力也相应增大。双螺栓节点滑移荷载较单螺栓节点提高109.703%。三螺栓节点滑移荷载较单螺栓节点提高202.146%。双螺栓节点承载力较单螺栓节点提高了91.756%。三螺栓节点承载力较单螺栓节点提高了217.977%。预紧力每增大9k N,滑移荷载较初始值分别提高24.484%、48.141%、74.277%、97.521%。角钢厚度和钢材强度增大,节点的承载力随之增大。Q355钢材节点承载力较Q235钢材节点提高45.518%至46.806%。耐候钢节点相较普通钢节点滑移荷载提高15.81%至23.50%。最后通过ANSYS中的非线性弹簧单元引入对应节点的位移-荷载曲线,分别建立输电塔普通钢滑移模型和耐候钢滑移模型及相应的塔线体系模型。分析风荷载作用下各个模型重要承力构件的内力分布情况。耐候钢材料对抑制塔身节点滑移有正面作用,斜材杆件承载力降低幅度更小,主材杆件内力增幅小于碳钢滑移模型。两种滑移模型主材轴力差距在2.19%至3.54%之间,斜材轴力差距在4.12%至6.72%范围内。提取塔身不同高度处关键节点的位移数据,结构最大变形值差距在6.35%至8.75%之间。两种滑移模型的内力和变形差距随荷载增大逐渐减小。0°风向角、风速20m/s时,耐候钢塔有一定的抗变形优势,普通钢塔的主材最大轴力值比耐候钢塔增大3.54%,普通钢塔的最大变形值比耐候钢塔增大8.75%。45°风向角、风速30m/s情况下,耐候钢塔在杆件承载力与抗变形方面的优势减小,普通钢塔的主材最大轴力值比耐候钢塔增大2.19%,普通钢塔的最大变形值比耐候钢塔增大6.35%。普通钢塔线体系滑移模型与耐候钢塔线体系滑移模型的最大主材轴力和结构最大变形值差距分别为1.134%、4.59%。
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