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我國(guó)的輸電塔結(jié)構(gòu)，早期由于荷載小，使用單角鋼即可滿足受力要求。現(xiàn)在，隨著電網(wǎng)的不斷升級(jí)，隨著同塔多回路工程、大截面導(dǎo)線工程、大跨越工程的建設(shè)，桿塔荷載越來(lái)越大，桿件斷面從單角鋼發(fā)展到雙拼角鋼、四拼角鋼、格構(gòu)式乃至鋼管。目前對(duì)于輸電高塔(一般在100米以上)，更多采用鋼管塔。
本文工程背景即為500kV大跨越段跨越塔，塔高215.5m，主材最大規(guī)格用到直徑1580mm、厚度30mm的Q345B卷板直焊縫圓鋼管。該塔采用了多種節(jié)點(diǎn)連接形式，如法蘭、插板、相貫連接等，為檢驗(yàn)在設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特此進(jìn)行了崖門大跨越節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)。
本次試驗(yàn)選用目前國(guó)內(nèi)豎向加載能力最大的大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)來(lái)施加主管豎向荷載，其最大加載力為10000kN，如圖所示；支管的水平加載設(shè)備采用自制反力架和液壓千斤頂。自制反力架的底部水平臺(tái)座能承受大噸位的豎向荷載，為避免節(jié)點(diǎn)底部主管端部受彎，在水平臺(tái)座設(shè)置一球鉸；反力架在水平方向自平衡，有足夠剛度，可保證試件加載過(guò)程中不因發(fā)生較大變形而對(duì)試件附加應(yīng)力。
根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求提出的試驗(yàn)?zāi)康�，結(jié)合試驗(yàn)室情況，本試驗(yàn)選取該跨越塔典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，通過(guò)在各級(jí)加載下節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)定，與理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和構(gòu)造的合理性。本文主要選取相貫連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析研究，如圖所示。
本文選取典型的平面相貫連接節(jié)點(diǎn)模型K5作為本文的主要研究對(duì)象。按照1:3的縮尺比，模型K5的規(guī)格如表所示。
考慮到實(shí)際的工程要求和節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，建立如圖所示的邊界條件。主管右邊界按鉸支座考慮，主管左邊界及兩支管按滑動(dòng)支座考慮，并采用主、支管雙向加載模式。
對(duì)模型試件采取分級(jí)加載，級(jí)別100%表示試件承載力的工程設(shè)計(jì)值。各加載點(diǎn)同步加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SI35951B)自動(dòng)連續(xù)采集，測(cè)得各應(yīng)變片及位移計(jì)數(shù)據(jù)。為考察圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)處的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，在主管管壁上圍繞受壓、受拉支管的鞍點(diǎn)、冠點(diǎn)周圍布置應(yīng)變花，詳見(jiàn)圖測(cè)點(diǎn)布置圖。
本文是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析的，現(xiàn)根據(jù)圖的邊界條件及加載模式，建立平面相貫連接節(jié)點(diǎn)K5的有限元分析模型。模型的建立選用8節(jié)點(diǎn)彈塑性板殼單元Shell 93，支管、主管分別為Q235、Q345鋼，對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度分別為fy=235N/mm2、fy=345N/mm2，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比μ=0.3。假定材料具有理想彈塑性，并遵守Mises屈服準(zhǔn)則。
對(duì)于應(yīng)力分布復(fù)雜的區(qū)域，即相貫焊接的鞍點(diǎn)、冠點(diǎn)以及主、支管與節(jié)點(diǎn)板交匯處，單元?jiǎng)澐旨用芴幚恚欢谄渌菓?yīng)力集中區(qū)域則采用較大單元?jiǎng)澐�，以提高有限元的�?jì)算效率。
選取有限元模型上與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處的單元節(jié)點(diǎn)，將有限元分析得到的該點(diǎn)Mises折算應(yīng)力與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行比較，由此，既避免了應(yīng)變花貼片位置可能帶來(lái)的測(cè)試偏差，又能較準(zhǔn)確地比較試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與有限元分析的結(jié)果。當(dāng)通過(guò)支管加載時(shí)，由于相貫線復(fù)雜，主管徑向剛度與支管軸向剛度相差較大，因此應(yīng)力沿主管的徑向和環(huán)向都是不均勻的，通常在鞍點(diǎn)和冠點(diǎn)處應(yīng)力較集中�，F(xiàn)選取主管與節(jié)點(diǎn)板交匯處以及相貫焊接的鞍點(diǎn)、冠點(diǎn)為典型測(cè)點(diǎn)，如圖所示的測(cè)點(diǎn)A1、A2、A3、A4、A5、A6，分別對(duì)應(yīng)圖中的應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)S11-S12-S13、S14-S15-S16、S17-S18-S19、S23-S24-S25、S26-S27-S28、S29-S30-S31。從該節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力云圖可以看出，各典型測(cè)點(diǎn)處有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
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