一种K型腹杆格构式输电塔及其稳定性分析方法

摘要

本发明公开了一种K型腹杆格构式输电塔及其稳定性分析方法。该输电塔包括塔腿、塔体及塔顶，所述塔腿、塔体及塔顶均由杆系和设置在各杆之间的节点构成，该节点为半刚性节点，该节点为K型节点，该节点为采用梁节点或柱节点，采用该种节点形式，可提高输电塔稳定性；该方法将半刚性节点引入塔腿结构中进行有限元分析，与传统设计分析方法相比更接近真实受力状态，可获得最佳参数范围。

说明书

技术领域

本发明涉及特高压输电塔，具体涉及一种K型腹杆格构式输电塔及其稳定性分析方法。

背景技术

特高压输电塔是电力输送的支柱，具有塔身高、所受风荷载、覆冰荷载和自重大的特点， 其结构形式复杂。特高压输电塔线路上任何一座输电塔的失效都会引起整个线路的停运事故， 造成巨大的经济损失和社会影响。当遭遇长时间的低温雨雪冰冻天气时，现有很多输电塔可 能会发生倒塔、断塔等故障，导致局部地区出现长时间大面积的停电事故。节点连接方式分 为刚性连接、铰接连接和半刚性连接。目前，输电塔通常采用K型腹杆结构，利用螺栓将中 间斜材、人型斜材和主材连接，由于现有的输电塔设计过程中一般采用整体空间桁架模型进 行计算，在计算过程中将所有节点完全等同于铰接连接，没有考虑杆端因弯矩产生的弯曲应 力对输电塔结构的影响，而特高压输电塔的节点的连接实际是一种半刚性连接，通常是利用 节点板和螺栓来连接主材和斜材，现有设计方法直接将其作为铰接连接进行设计计算，导致 设计参数与构件的实际受理不符，使得现有输电塔的安全性无法得到保证。

目前，国内外一些专家学者对框架、网壳及桁架结构中的半刚性节点的受力性能进行了 研究，取得了一定成果，但特高压输电塔结构与建筑钢结构或网壳结构无论实在结构形式、 节点的构造、材料选用、受力特点等方面均具有很大差异，特别是输电塔的节点构造并没有 梁柱概念，因此并不能直接因应用在输电塔的结构稳定性的分析过程中。

另外，现有K型输电塔无论中间斜材与主材之间或是人字斜材与中间斜材之间均采用螺 栓连接的方式，从目前的使用状况来看，此种方式容易导致倒塔或断塔，稳定性不佳。同时， 就目前的倒塔情况看来，主要由于塔腿部分失稳。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在提供一种K型腹杆格构式输电塔及其稳定性分析方法，该种 输电塔可减少节点板、加劲板及连接螺栓，并增加输电塔稳定性，该方法对该输电塔中各个 节点真实的受力情况进行分析，并能反应各参数对输电塔稳定性的影响，能为工程设计提供 准确参考。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种K型腹杆格构式输电塔，包括塔腿、塔体及塔顶，所述塔腿、塔体及塔顶均由杆系 和设置在各杆之间的节点构成，所述节点为半刚性节点，所述节点为K型节点，其特征在于： 所述节点为梁节点或柱节点；

所述梁节点包括设置在同一水平面的主体梁、梁节点板、梁杆，所述梁节点板焊接设置 在所述主体梁上，所述梁杆通过螺栓安装在所述梁节点板上，所述主体梁单侧的梁杆与主体 梁组成K型结构，所述主体梁采用钢管，所述主体梁上贯穿设置有若干梁贯穿支管，所述梁 贯穿支管与所述梁节点板所在平面构成倾角。

所述柱节点包括主体柱、与所述主体柱垂直的柱节点板及与所述柱节点板在同一水平面 的柱杆，所述柱节点板焊接设置在所述主体柱上，所述柱杆通过螺栓安装在所述柱节点板上， 所述主体柱的单侧柱杆与主体柱组成K型结构，所述主体柱采用钢管，所述主体柱上贯穿设 置有若干柱贯穿支管，所述柱贯穿支管与所述柱节点板所在水平面构成倾角。

进一步，所述梁节点还包括用于加强所述梁节点板与主体梁连接强度的竖直环板，所述 竖直环板通过焊接环绕所述主体梁，所述竖直环板同时垂直与主体梁和梁节点板，所述竖直 环板焊接靠设在所述梁节点板任意一侧的边缘上。

进一步，所述柱节点板为环绕设置在所述主体柱上的水平环板。

一种K型腹杆格构式输电塔的稳定性分析方法，包括以下步骤：

1)计算节点处的节点初始刚度，首先以节点处螺栓的抗剪刚度和孔壁的挤压刚度组合转 换为节点板相对主体钢的弯矩-转角刚度计算公式，然后采用Hermite插值多项式及最小势能 原理推导考虑节点连接刚度的薄壁杆件单元的刚度矩阵，最后采用能量法原理，推导出考虑 半刚性连接空间节点的弯矩-转角关系的计算模型；

2)建立输电塔非线性有限元模型，将半刚性连接设置在塔腿的中间斜材和主材连接处以 及中间斜材和人字形斜材连接处，利用步骤1)中计算得到的半刚性连接节点的弯矩-转角关 系的计算模型对该模型进行约束，并进行有限元分析，分析过程采用弧长法逐步加载。

进一步，步骤1)中螺栓的抗剪刚度采用采用虚功原理和单位载荷法计算。

进一步，步骤2)包括一下步骤：

a)创建模型，模型创建过程采用SOLID95实体单元模拟主体梁、主体柱、梁节点板、 柱节点板、梁杆、柱杆及螺栓；

b)求解控制参数，求解过程利用牛顿-拉普森方法求解，NLGEOM选择大变形效应命令， 子步数取50，平衡迭代最大次数取30，打开线性收索、自动时间步和自由度求解预测器；

c)加载求解及查看结果，根据试验测点的位置提取有限元模型中相应计算点的位移数 据，进入POST26后处理模块，绘出全过程曲线。

进一步，步骤2)中，可调整主体梁和主体柱的直径、管壁厚度、节点板高度、两块节 点板之间的夹角等参数，分析节点半刚性对结构受力性能的影响。

进一步，步骤2)中，可调整将塔腿处主材和斜材的夹角、塔腿高度及塔腿处节点数等 参数，分析其对塔腿受力性能的影响。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的K型腹杆格构式输电塔对节点处主体梁、梁节点板、梁杆的位置以及柱、 柱节点板、柱杆的位置关系和方向进行了限制，利用简单的结构直接提高了输电塔的稳定性， 同时，若需达到相同受力性能要求，采用本发明的K型腹杆格构式输电塔较传统方式所需的 节点数、加劲板数量及连接螺栓数量更少，节约了成本。

2.本发明的K型腹杆格构式输电塔分析方法，分析计算半刚性连接空间节点的弯矩-转 角关系的计算模型，并将其引入输电塔的有限元分析中，分析数据与现有设计方式相比更接 近输电塔的实际受力状态，结果更准确，为工程设计提供了更为有利的参考。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为输电塔结构示意简图；

图2为图1中塔腿结构示意图；

图3为图1中梁节点结构示意图；

图4为图1中柱节点结构示意图。

其中：

1－塔腿、2－塔体、3－塔顶、4－主材、5－中间斜材、6－人字形斜材、7－主体梁、8 －梁节点板；9－梁杆、10－螺栓、11－梁贯穿支管，12－竖直环板、13－主体柱、14－柱 节点板、15－柱杆、16－柱贯穿支管。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的K型腹杆格构式输电塔，如图1所示包括塔腿1、塔体2及塔顶3，所述塔腿1、 塔体2及塔顶3均由杆系和设置在各杆之间的节点构成，该节点为半刚性节点，该节点为K 型节点，该节点为梁节点或柱节点；

如图2所示，梁节点包括设置在同一水平面的主体梁7、梁节点板8、梁杆9，所述梁节 点板8焊接设置在所述主体梁7上，所述梁杆9通过螺栓10安装在所述梁节点板8上，所述 主体梁7单侧的梁杆9与主体梁7组成K型结构，所述主体梁7采用钢管，所述主体梁7上 贯穿设置有梁贯穿支管11，所述梁贯穿支管11与所述梁节点板8所在平面构成倾角。

如图3所示，柱节点包括主体柱13、与所述主体柱13垂直的柱节点板14及与所述柱节 点板14在同一水平面的柱杆15，所述柱节点板14焊接设置在所述主体柱上，所述柱杆15 通过螺栓10安装在所述柱节点板14上，所述主体柱13单侧的柱杆与主体柱13组成K型结 构，所述主体柱13采用钢管，所述主体柱13上贯穿设置有若干柱贯穿支管16，所述柱贯穿 支管16与所述柱节点板14所在水平面构成倾角。

本发明的K型腹杆格构式输电塔对节点处主体梁7、梁节点板8、梁杆9的位置以及主 体柱13、柱节点板14、柱杆15的位置关系和方向进行了限制，利用简单的结构直接提高了 输电塔的稳定性，同时，若需达到相同受力性能要求，采用本发明的K型腹杆格构式输电塔 较传统方式所需的节点数、加劲板数量及连接螺栓10数量更少，节约了成本。

作为上述方案的改进，所述梁节点还包括用于加强所述梁节点板8与主体梁7连接强度 的竖直环板12，所述竖直环板12通过焊接环绕所述主体梁7，所述竖直环板12同时垂直于 主体梁7和梁节点板8，所述竖直环板12焊接靠设在所述梁节点板8任意一侧的边缘上。该 竖直环板12可增强梁节点板8和主体梁7的连接强度，提高该节点的稳定性，从而提高输电 塔的稳定性。

作为上述方案的改进，所述柱节点板14为环绕设置在所述主体柱13上的水平环板，该 竖直环板12可增强柱节点板14和主体柱13的连接强度，提高该节点的稳定性，从而提高输 电塔的稳定性。

本发明的K型腹杆格构式输电塔的稳定性分析方法，包括以下步骤：

1)计算节点处的节点初始刚度，首先以节点处螺栓10的抗剪刚度和孔壁的挤压刚度组 合转换为节点板相对主体钢的弯矩-转角刚度计算公式，然后采用Hermite插值多项式及最小 势能原理推导考虑节点连接刚度的薄壁杆件单元的刚度矩阵，最后得出考虑半刚性连接空间 节点的弯矩-转角关系的计算模型；其中，主体钢可以是主体梁7，也可以是主体柱13。

具体的，本实施例中，节点初始转动刚度是指板件间摩擦滑移结束，螺栓10开始受剪时 的刚度。而节点的初始刚度主要由主体钢节点域的剪切转动刚度和节点板相对于主体钢的转 动刚度组成，节点板相对于主角钢的转动实际上是由螺栓10剪弯变形、主角钢螺栓10孔孔 壁及节点板螺栓10孔孔壁的挤压变形引起的。因此，节点板的相对转动刚度可由螺栓10剪 弯刚度和孔壁挤压刚度组合得到。

推导时，单个螺栓10的抗剪刚度采用虚功原理和单位载荷法计算，孔壁挤压刚度为通过 孔壁挤压变形换算而来，而在将螺栓10的抗剪刚度和孔壁的挤压刚度进行组合并转换为转动 刚度时，假定节点板的转动中心在螺栓10群形心处，当多个组件位于同一高度时，用一个等 效刚度来代替这一高度处各组件的刚度；对于受力形式相同但位于不同高度位置的组件，可 以用一个等效力臂来代替原来的力臂，从而得到位于不同高度位置处各组件刚度的等效刚度； 而Hermite插值多项式及最小势能原理的以及能量法原理的推导方式均为现有技术，在此不 做阐述。

2)建立输电塔非线性有限元模型，将半刚性连接设置在塔腿1的中间斜材5和主材4连 接处以及中间斜材5和人字形斜材6连接处，利用步骤1)中计算得到的半刚性连接节点的 弯矩-转角关系的计算模型对该模型进行约束，并进行有限元分析，分析过程采用弧长法逐步 加载。

本实施例中，有限元分析包括以下步骤：

a)创建模型，模型创建过程采用SOLID95实体单元模拟主体梁7、主体柱13、梁节点 板8、柱节点板14、梁杆9、柱杆15及螺栓10。

其中，SOLID95是3D20节点结构实体单元，SOLID45的高阶单元，此单元能够容许不 规则形状，并且不会降低精确性，适用于边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好， 该单元由20个节点定义，每个节点有3个自由度，即沿节点坐标系x、y和z方向的平动位 移，此单元在空间的方位任意，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变 的能力，并且提供不同的输出项。可最大程度还原模拟非线性问题，分析结果更接近实际受 力状态。

b)求解控制参数，求解过程利用牛顿-拉普森方法求解，NLGEOM选择大变形效应命令， 子步数取50，平衡迭代最大次数取30，打开线性收索、自动时间步和自由度求解预测器；

c)加载求解及查看结果，根据试验测点的位置提取有限元模型中相应计算点的位移数 据，进入POST26后处理模块，绘出全过程曲线。

本实施例中，步骤2)中，可调整主体梁7和主体柱13的直径D、主管管壁厚度t、节 点板高度B、两块节点板之间的夹角β等参数，分析节点半刚性对结构受力性能的影响，此 方法可量化节点处具体参数对半刚性结构的作用，从而得出其对输电塔整体结构的影响，选 取最佳参数。

本实施例中，步骤2)中，可调整将塔腿1处主材4和人字形斜材6的夹角θ、塔腿1高 度H及塔腿1处节点数n等参数，分析其对塔腿1受力性能的影响，从而得到对塔腿1受力 最有力的参数。

本实施例中，建立了半刚性连接节点的弯矩-转角关系计算模型，并在有限元分析中利用 其对塔腿1处的节点进行约束，与传统计算分析方法相比，其分析结果更接近输电塔真是的 受力状况，为实际的工程设计提供了更为可靠的分析数据。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。