基于螺栓滑移的K型节点及输电塔结构分析

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在传统的输电塔设计当中,常采用桁架模型或桁梁混合模型对结构受力进行分析,而近年来有学者通过试验发现输电塔结构中存在着大量的螺栓滑移现象,认为螺栓滑移对输电塔的变形有较大影响,进而提出了螺栓滑移理论;但以往的研究都是针对螺栓沿杆件轴线方向的滑移进行分析,并未考虑到节点在杆端弯矩作用下会发生转动滑移的可能性,因此本文便针对输电塔中节点的转动滑移性能进行研究分析,主要工作内容与成果如下:
  ①建立了与K型节点试验相对应的有限元模型,该模型考虑了材料非线性、几何非线性、状态非线性等因素的影响,模拟试验工况的加载方式,通过计算得出模型的变形模式与荷载位移曲线,这两者与试验结果吻合程度较好,有限元模型的有效性得到了验证。
  ②在模型得到验证的基础上,建立80组K型节点的有限元模型,通过对节点弯矩-转角曲线的研究,对该类节点的受力性能进行参数化分析。这部分主要研究了主角钢规格、螺栓个数、螺栓间距、施工扭矩、螺栓强度等因素对于节点转动滑移的初始刚度、滑动荷载、滑移转角、极限转角、极限弯矩等重要参数的影响,总结了上述各因素的影响规律。
  ③从理论角度分析了节点转动滑移弯矩-转角曲线。文中将曲线分为两部分,第一部分描述节点的非线性应力应变关系,用Kish-Chen三参数幂函数模型表示;第二部分主要体现螺栓的间隙滑移过程,用相关的间隙滑移公式表示,然后将两者合二为一,即得到了考虑螺栓滑移的节点弯矩-转角曲线计算公式;再基于前面80组节点的计算结果,拟合得到了曲线中重要参数的计算公式;可用上述两公式计算得出不同节点的滑移荷载位移曲线,应用于考虑螺栓滑移的输电塔结构分析中。
  ④建立三个输电塔整塔模型,模型Ⅰ:不考虑滑移的影响,模型Ⅱ:在模型Ⅰ的基础上考虑轴向滑移作用,模型Ⅲ:在模型Ⅱ的基础上加入转动滑移的影响。建模中通过Connector连接单元定义节点处的轴向滑移与转动滑移属性,然后在弯曲与扭转工况下,分析这两类滑移对输电塔塔身变形及主材内力的影响;结果表明:弯曲工况下,轴向滑移使塔身变形增大了20%左右,对主材轴力与弯矩的影响在6%与40%左右;转动滑移对塔身变形及主材轴力影响较小,对主材弯矩的影响在20%左右。扭转工况下,轴向滑移使塔身变形增大了2~3倍,对轴力的影响约为4%~10%左右,对主材扭矩的影响达到了3~5倍;转动滑移对塔身变形与主材轴力影响较小,对主材扭矩的影响在1倍左右。
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