输电钢管塔环板节点极限承载力的理论研究.pdf

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1、第30卷第1期应用力学学报Vol_3ONO．12013年2月CHINESEJoURNALoFAPPLIEDMECHANICSFeb．2013文章编号：1000—4939(2013101—0086—06输电钢管塔环板节点极限承载力的理论研究李晓露吕宝华2陈泽群王虎长2严立新张陵(1西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验710049西安：2西北电力设计院710015西安)摘要：以圆环．母线梁模型为基础，运用虚功原理，研究了无环板和四分之一环板节点极限承载力的计算方法，并给出了节点极限承载力的建议公式。通过将其与

2、试验结果、有限元计算结果、日本铁塔协会的送电用钢管铁塔制作基准的计算结果进行对比，证明本文所提出的建议公式得到的结果较日本铁塔协会的送电用钢管铁塔制作基准的计算结果有所提高，并能较好地与试验和有限元计算的结果吻合，与试验结果的误差约为3％。本文可为超高压输电钢管塔节点设计和节点极限承载力确定提供参考。关键词：环板节点；极限承载力；虚功原理；计算公式中图分类号：TU392．3文献标识码：A推导，给出这两类节点的建议公式，为实际应用中环1引言板节点的构造设计和节点极限承载力的确定提供了参考。随着钢管塔在输电行业的广

3、泛应用，对钢管塔的研究也逐渐引起了学者的重视。节点是钢管塔设计的关键环节，对钢管塔性能的研究主要集中在节点极限承载力方面。目前国内对相关焊节点的研究已经比较充分J，但对于管板节点的研究还仅限于对文献[2]的直接应用。文献[3]～[5]等运用三重屈服线模型求解，但不能得到形式上的解析解。文献[6]用有限元的方法得到无环板节点的极限弯矩。文献[7]提出了无环板节图1半环板节点点局部变形承载力的计算方法。文献[8]对管板节点进Fig．11／2circleplatejiont行了～定的理论探索。文献[9]运用圆环一母线

4、梁分析模型求解，提出了临界轴压系数的概念。在实际中也2无环板节点的计算通过环板来加强节点。图1显示了钢管塔结构中的一个半环板节点。但目前国内关于环板节点极限承载力根据文献[10]中的试验和有限元计算结果可以的计算方法还没有确定的理论依据。本文在文献[101发现无环板节点的破坏主要以主材的过度塑性变形所做试验研究和有限元计算的基础上，对无环板和四为主。图2为试验中观察到的无环板节点典型破坏分之一环板节点的极限承载力的计算方法进行理论试件；图3为数值计算中节点破坏时的应力分布情收稿日期：2012．03—02修回日期

5、：2012—05．23第一作者简介：李晓露，女，1986年生，硕士，西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室；研究方向——大型复杂结构动力分析。E-maihlixiaolueven@163．corn第1期李晓露，等：输电钢管塔环板节点极限承载力的理论研究89分为顶部、中部、底部圆弧。该模型仍假设整个圆时，取3，则环长度保持不变；当截面变形时，顶部圆弧下陷且12Mo(17)：长度不变，中部圆弧长度增加，底部圆弧长度减小。如图12所示，由几何关系可得代入=，即可解得，在整个屈服区‘=(12)域上积分即可解得内部

6、的能量变化率。f2=(兀一(13)对于除去高度为的圆柱部分，根据I『l+，2：(14)Thurlimann提出的环板有效幅度计算式有=1．52~／r。T+f181m=2R一(1+COS)一(1-COS)一(1一--V-)R(15)其中，；n为主材中心到壁厚中心的距离。联立式(12)～(15)可以求得尺1、2，且二者是关由于在计算中除去了高度为的部分，在图1l于0、Oo、的函数。中整个屈服区域的长度取Bo=1．52√·。计算方图12中塑性铰的转角速率为法与无环板相同。：堕，：03．2环板抗弯强度的计算‘df。、厶

7、曲率的变化率分别为根据Thurlimann所提出的环板有效幅度的计算式，本文假设在节点破坏时整个环板和环板有效幅度k188=一，忘=一范围内的主材均进入屈服(见图14)。根据四铰破坏此时，随着由零趋近2R，0存在着由减机理的模型】，假设主材截面变形图如图15所示。小并最终接近零的变化趋势。仍假设两者之间的变其中塑性铰4、5是固定的。当结构受到外力，的作化关系如式(9)所示。将以上结果代入式(3)，即可解用时，塑性铰3向下运动，因为很小，该模型假设得单个圆环截面的能量变化率。在塑性铰运动过程中，塑性铰3和4、塑性

8、铰3和5设单个圆环变形在顶点的等效力为，令之间的弧长保持不变。根据几何原理，当塑性铰3=P,r8则向下移动的位移为时，弧长所转过的角度为．28(19)=2一+d／1j(16其中c=。将量纲归一化等效为Pn=D／4，以√2PnO，O0)为纵坐标，=261D为横坐标，得到尸n根据虚功原理可得2=2MpO(20)与的关系，如图13所示。其中即为要求的环板抗弯强度下的极限载荷。在屈服状态，截面