剪力对钢管塔K型节点局部承载力的影响

白强，舒爱强，包永忠

（中南电力设计院，武汉市，430071）

0 引言

输电线路钢管塔采用连接板连接时，K型节点是典型的节点连接形式，而作用在2支管上的力的水平分量形成1对力偶，会引起主钢管局部屈曲。目前，对这类管-板连接大多采用弹性有限元和应力集中系数的方法来分析钢管节点的受力性能，对管-板节点的破坏机理还没有详细的研究。《建筑钢结构设计手册》[1]第11章中给出了没有环形加强板情况下节点承载力的验算方法，但计算结果偏保守。国内现有的研究主要集中在相贯焊接方面，节点板连接研究甚少。近年来有少数文献对节点板连接开展研究，得出了一些有益的结论，但没有给出最终的K节点局部承载力设计验算方法[1-6]。

另外，在实际输电铁塔中常采用在节点板两端增加环板的方式来降低主管局部屈曲的影响，而我国没有相应的节点承载力设计验算方法。日本《送电用钢管铁塔制作基准》[7]中对无加强环环板、半环形（1/4环形）加强板、全圆环加强板等情况均给出了受弯情况下相应的承载力验算公式，但这些验算公式都是在简化模型的条件下给出的，与实际的K型节点存在一定的差异。文献[8]中的试验方案采用的单臂长度为650 mm，因此弯剪比始终不变，这与实际K型节点存在一定的差异。为了研究剪力对节点承载力影响，本文通过有限元分析与文献[8]中的试验结果进行比较，研究不同单臂长度对主管极限承载力的影响；并与实际K型节点进行比较，探讨剪力对K型节点极限承载力的影响。

1 钢管塔中管-板连接节点受力

1.1 K型节点受力

在高耸钢管塔中有很多种类型的管-板节点，其中K型节点具有一定的代表性，为此对K型节点进行受力分析。实际K型管-板节点的结构如图1所示。由图1（a）可知，在K型节点整体受力平衡的条件下需要满足：

式中：T为支管拉力；N为支管压力。

一般K型节点体系中，支管和连接板的强度不控制节点设计。而主管在连接板作用下其管壁局部受力会出现局部屈曲变形，因此主管局部强度是整个K型节点设计的关键。为了研究主管受力，将连接板和主管钢管作为研究对象，主管管壁上受到的外力可以简化为图1（b）所示。

式中：M为支管水平分力对主管管壁形成的弯矩；Q为支管垂直分力对主管管壁形成的剪力；S为支管轴线与主管管壁交点的距离；B为节点板长度；P为弯矩在换板形成的拉力或压力。

1.2 试验装置和方案

实验装置如图2所示，试件底部置于底座钢铰上，其余杆件端部连于千斤顶上。

2 有限元模型的建立

通过建立有限元模型，分析不同参数模型下的单臂长度对于节点承载力的影响情况，单臂长度为图3中F2到钢管壁的距离。本文运用有限元软件对K型节点进行仿真分析，采用壳单元shell 181来模拟不同参数的节点板、钢管（即钢管塔中的主管）和加强环板。对实际K型节点建立精细化的实体模型，单元为solid 45，本构关系为双线性弹塑性材料。材料参数：弹性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服强度345 MPa[9-10]。

简化的K节点有限元模型如图3所示，实际的K型节点有限元模型如图4所示，简化模型为文献[8]和《送电用钢管铁塔制作基准》采用的分析模型，实际K节点为仿真输电塔的K型连接节点。

3 单臂长度对钢管节点局部承载力的影响

3.1 无加强环板

无加强环板情况下，取构件主管直径D=219 mm，连接板长度B=657 mm，节点板厚度t=16 mm，则在不同单臂长度情况下K型节点承载力随主管管壁厚度变化如图5所示。其中试验构件的规格参见文献[8]，实际K型节点的承载力为通过有限元K型节点模型计算所得。

主管管壁厚度为6 mm的构件在不同单臂长度下的节点局部承载力如表1所示。

表1 1 极限弯矩结果比较Tab.Tab.1 1 Comparison of ultimate moments

由表1可知：K型节点承载力随臂长增加而增加，不同臂长的承载力之间差值最大为13%，大部分小于10%；试验构件的不同臂长的承载力之间差值均小于10%；不同单臂长度的K型节点承载力与实际K型节点相比均偏小，最大小20%左右。在无加强环板情况下，试验结果较实际K型节点偏小10%左右，可认为剪力对无加强环板的局部承载力影响不大。

3.2 不同单臂长度对环形加强板承载力的影响

取管径D=219 mm，B=657 mm，节点板厚度t=16 mm。Py是局部变形屈服耐力，其含义和文献[7]一致。为了定量分析不同单臂长度对承载力的影响，本文设计了不同管壁厚度和环板厚度的构件进行分析和比较。

3.2.1 1/4加强板极限承载力

1/4加强板K型钢管节点在不同单臂长度、环板厚度和不同主管管壁厚度下的局部承载力变化曲线如图6所示，主管管壁厚度为6 mm的节点局部极限承载力计算结果如表2所示。

由图6和表2可知：对1/4加强板的节点，单臂长度的变化对节点局部承载力有较大影响；单臂长度为650 mm的承载力较单臂长度为109.5 mm的承载力高，前者比后者承载力最高可提高37.5%，这主要是由于在轴力相同的情况下剪力对其局部承载力的影响造成的；与实际K型的承载力相比，试验结果大部分偏小。

表2 2 1 1//4 4加强板极限承载力计算结果Tab.Tab.2 2 The computed ultimate bearing capacities of 1

3.2.2 1/2加强板极限承载力

1/2加强板K型钢管节点在不同单臂长度、环板厚度和不同主管管壁厚度下的局部承载力变化曲线如图7所示，主管管壁厚度为6 mm的节点局部极限承载力计算结果如表3所示。

通过分析1/2环形加强板不同单臂长度的承载力比值，可以看出单臂长度为650 mm的承载力较单臂长度为109.5 mm的承载力高，前者比后者承载力最高可提高50%，剪力对1/2环板的局部承载力影响较1/4环板大。与实际K型节点相比，1/2环形加强板钢管节点的局部承载力随着环板厚度的增大试验结果逐渐偏大，但是单臂长度为109.5 mm的承载力始终比实际K型节点偏小15%左右。1/2环板和1/4环板《送电用钢管铁塔制作基准》计算所得承载力均比试验和有限元计算结果低，且比实际的K型节点承载力低20%，因此《送电用钢管铁塔制作基准》相对试验结果偏于保守。

表3 3 1 1//2 2加强板极限承载力计算结果Tab.Tab.3 3 The computed ultimate bearing capacities of 1

3.2.3 全圆环单侧加强板极限承载力

全圆环K型钢管节点在不同单臂长度、环板厚度和不同主管管壁厚度下的局部承载力变化曲线如图8所示，主管管壁厚度为6 mm的节点局部极限承载力计算结果如表4所示。

表4 全圆环加强板极限承载力结果比较Fig.4 The computed bearing capacity of annular stiffening rib joints

通过图8和表4分析得出单臂长度为650 mm的承载力较单臂长度为109.5 mm的承载力最高可提高73.7%，剪力对全圆环局部承载力的影响相对1/4（1/2）环板大。与实际K型节点相比，试验结果偏大，主要是由于实际K型节点在环板的宽度和厚度增大的情况下，节点区域不易屈服，反而节点附近的主管较易屈服，此时节点的极限承载力由钢管自身的承载力确定。

4 结论

本文通过有限元和部分试验分析了单臂长度为650、400、109.5 mm对无加强环板、1/4环形加强板、1/2环形加强板、环形加强板（单侧）承载力的影响情况，在轴力相同的情况下单臂长度为650 mm的承载力较单臂长度为109.5 mm的承载力高。可以看出：单臂长度对无加强环板承载力的影响较小，承载力最大差值13%，其余均在10%以内；对1/4环形加强板承载力最大差值为35%，其余均在20%～30%以内；对1/2环形加强板承载力最大差值为50%，其余均在20%～35%以内；对环形加强板承载力最大相差75%，其余均在20%～40%以内。这主要是剪力对局部屈曲的影响造成的，在轴力相同的情况下，剪力越大，其承载力就越低，影响越明显。对于无加强环板钢管节点由于其极限承载力很小，相应的剪力小，因此剪力对钢管的局部屈曲影响小；环形加强板（单侧）极限承载力大，其剪力大导致钢管轴向荷载加大，剪力越大主管越容易屈服，加强环板易发生弯曲，对钢管的局部屈曲影响大，节点极限承载力明显降低。

实际工程中，支管与主管的夹角越小则剪力越大，对钢管节点的承载力影响越大，反之则支管的力较大，支管先于主管发生破坏。因此支管与主管间存在最优的角度范围，使得主管与主管同时发生破坏。目前常用的角度为45°～60°，其确切值有待进一步研究确定。

[1]赵熙元.建筑钢结构设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1985.

[2]陈誉，彭兴黔，赵宪忠.钢管搭接节点的研究现状[J].基建优化，2007，28（5）：154-157.

[3]应建国，叶尹.大跨越输电线路钢管塔结点分析[J].电力建设，2003，24（9）：30-32.

[4] 赵熙元.钢管结构设计[J].钢铁技术，1997（1）：47-52.

[5]Kurobane Y，Makino Y，Ochi K.Ultimate resistance of unstiffened tubular joints[J].Struct.Engrg.，ASCE，1984，110（2）：385-400.

[6]余世策，孙炳楠，叶尹.高耸钢管塔结点极限承载力的试验研究与理论分析[J].工程力学，2004，21（3）：155-161.

[7]送电用钢管铁塔制作基准[S].东京：日本铁塔协会，1985.

[8]白强.特高压输电线路钢管塔节点极限承载力试验研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[9]刘相新，孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M].北京：科学出版社，2006.

[10]Saeko S.Experimental study on strength of tubular steel structures[J].Japanese Soc.Steel Construct，1974，10（112）：37-68.