角钢塔空间TT型节点极限承载力研究

鞠彦忠，刘 磊

（东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012）

角钢塔节点属于空间桁架节点。目前对此类节点的研究主要集中节点板受拉上，对节点板受压性能的研究还不算多。偏心节点板的受力性能数据很少，严重阻碍了对节点板偏心受力的研究。对于此类节点板的设计，是按照《钢结构设计规范》（GB50017－2003）进行稳定验算。此规范的验算公式是根据赵熙元和李光照的双角钢焊接钢桁架节点实验结果得出的。因此，此规范公式只适用于轴心受压的节点板的稳定问题，并没有考虑偏心作用。换句话，按此规范公式的条件角钢塔的偏心连接不相符合。若是利用此公式验算角钢塔的节点板的稳定，可能会使角钢塔的节点板偏于不安全。而对于偏心节点板的设计，并没有规范可以参照，设计人员通常按照工程经验设计；或者将节点板的承载力予以一定程度的折减来考虑节点板的偏心作用。

国内的学者对节点板的研究，也主要集中在节点板的轴心受力上，研究的成果比较少。赵熙元等对钢桁架外加式节点板进行光弹性实验研究，研究了节点板上的应力分布、应变分布及发展规律，发现节点板应力集中在在节点板与弦杆之间的区域。同济大学李明浩通过研究在轴力和附加横向弯矩作用下，4种截面的塔柱节点的内力分布，得出了节点板两端处的压应力最大，节点板不同的长细比对最大应力的值的影响很大。李光照对双角钢焊接钢桁架节点板试件试验研究，研究结果可以表明：节点板破坏形式分为两种，即压区发生压屈破坏和拉区发生的撕裂破坏；在外荷载比较小时，节点板的塑性区域就首先出现在撕裂线或者压屈线上，不断地蔓延和扩展；节点板受压的破坏原因是节点板的压区内压屈线上，由于局部屈服而导致局部产生较大挠度后，导致邻近的弹性区的不断减少，最后发生失稳破坏。

1 角钢板节点破坏模式分析

为了考虑节点板的可能的破坏模式，固定角钢的肢端长度为D＝159 mm，厚度为T，γ＝D/T，本节考虑节点板厚度Tp和角钢的厚度Tj两个变量对节点承载力的影响，α＝Tp/Tj，α为节点板板厚与角钢的厚度之比。破坏模式见表1。

在角钢厚度一定的条件下，选用何种尺寸的节点板，才能安全经济的发挥角钢的作用，不让角钢没有达到设计的强度就发生失稳，这是一个安全和经济的双重问题。根据上述表中的结果，可以得出一个结论，所要充分发挥角钢的力学性能，角钢厚度至少要节点板的 1.2倍，节点板厚度太小会使得角钢提前发生失稳，减少角钢的强度安全储备；节点太厚则会使得显得浪费，会使得线路中铁塔的显著费用增加。

表1 偏心角钢板节点板破坏模式

1.1 节点破坏准则

节点板破坏模式是典型的极值型失稳，节点板的极限承载力，需要对节点板进行荷载－挠度进行分析。

根据极值型失稳判断准则，荷载位移曲线的最高点，即为节点板的极限承载力。节点板上靠近角钢肢背处的部位，是最先失稳的部位，加载初期，由于节点板处于弹性阶段并且在平面外没有约束，荷载位移曲线保持线性增长。当接近其极限荷载的时候，节点板的向外变形增长加剧，发生明显的板外弯曲。

图1 节点板荷载位移曲线

1.2 偏心作用对节点极限承载力的影响

节点板在压力作用下，会发生节点板失稳。由于节点的初始缺陷，使得节点板成为压弯构件，这加速节点板外的失稳，会降低节点板的极限承载力的。

偏心作用包括两个方面：一个是指角钢自身引起的偏心作用，即角钢的形心处于平面外，加载中心和形心不一致引起的偏心作用；另一个是角钢和节点板处于单面连接，使得节点板处于平面外的偏心。这种偏心作用使得节点板在加载前就已经存在初始缺陷，使得节点板在加载开始就发生平面外的变形的，发生极值型失稳。当达节点板的极限承载力时，已经不能再继续承载更大的荷载，此时荷载要大大低于强度破坏时的荷载，偏心荷载会极大地降低了节点板的极限承载力。

1.2.1 轴心作用下节点板的极限承载力

作为对照组的轴心节点受压实验要比偏心作用下的节点板的板外位移要比后者多很多。从表2中也可以看出，偏心的极限荷载要比轴心节点极限荷载低20 %～30 %左右。从两者的极限承载力的结果对比，可以看出，偏心荷载会使节点板极限承载力显著降低，因此在设计中必须予以考虑，偏心作用是一个不可以忽视的问题。

表2 轴心作用下节点板的极限承载力

1.2.2 有限元结果与钢结构规范结果比较

表3 有限元结果与钢结构规范结果

这四组数据中，前两组采用的节点板和角钢的分别为6 mm和8 mm，这时候采用规范验算，结构的安全系数比较高，当节点板达到10 mm以上时候，按照规范计算的结果偏于不安全，这是因为，随着节点板和角钢的厚度的增加，导致节点的偏心作用影响较大，所以在设计中要特别注意。

2 几何参数对节点极限承载力的影响

2.1 节点板厚度对节点承载力的影响

为讨论节点板厚度对角钢塔节点承载力的影响，将节点板厚度TP进行变参分析，设定角钢厚度T＝6 mm，c＝100；角钢长度L＝159 mm，节点板厚度分别为TP＝6，8，10，12 mm。各模型的荷载位移曲线见图2，图3为节点承载力与节点板关系曲线图。

有限元结果表明，节点的极限承载能力和节点板厚度有直接影响。在角钢参数不变的前提下，节点板厚度比较小时，节点板的失效模式会发生局部屈服而不是强度破坏；节点板的极限承载力随着厚度的增加进行线性增长，因为节点板的侧向刚度随着厚度的增加而增大，其抵抗抵抗角钢扭转和板外侧移的能力变强，失稳的承载力值要大于弯曲承载力值，破坏模式发生改变，此时节点板大部分应力超过屈服点进入塑性。

图2 不同节点板厚度模型的荷载位移曲线

图3 节点承载力与节点 板厚度关系曲线

2.2 角钢宽厚比对节点板承载力的影响

图4 不同角钢宽厚比模型的荷载－位移曲线

图5 节点承载力与角钢 宽厚比的关系曲线

建立不同的角钢宽厚比的有限元模型，其中：受压角钢肢端沿轴向到主材的净距离c＝100，节点板厚度TP＝6，主材的宽度L＝159 mm，角钢的厚度T分别为5，7，9，11 mm，对应的宽厚比分别为31.8，22.7，17.7，14.5。各模型的荷载位移曲线如下图4所示，图5是节点极限承载力与角钢宽厚比的关系曲线图。经有限元分析结果表明，节点板的极限承载力受角钢的宽厚比很大的影响。其极限承载力随着角钢的宽厚比增加而不断的减小。节点板侧向约束效应因为角钢的厚度的增大而提高，板外变形减小，节点的承载力得到提高。角钢的宽厚比和节点板厚度是相关的两个因素。在节点板厚度比较小时，角钢宽厚比对节点的承载力影响不明显。而随着节点板厚度增加，角钢的宽厚比对节点板的约束能力影响会逐渐明显。

2.3 角钢肢端沿角钢轴向到主材的净距离对节点板承载力影响

建立不同角钢肢端中心沿轴向到主材的净距离c的有限元模型，其中角钢长度L＝159 mm；角钢厚度T＝5 mm，节点板厚度为 TP＝6，c＝100，150，200，250。各模型的荷载－位移曲线如图6所示，图7为节点极限承载力与净距离c的关系曲线。有限元分析结果表明，节点板受压的极限承载能力随着净距离c的增加而逐渐减小。c的减小，不仅使此处区域角钢对节点板的横向约束也比较大，而且节点板受压区内的有效宽度范围增大，所以节点板的整体的极限承载能力得到提高。这种趋势在节点板厚度比较小，相应的侧向刚度也较小时对承载力的提高比较明显。但c继续减小时，角钢肢端越来越靠近节点板与角钢的交界处，此处的区域因为结构的突变会出现高度应力集中，节点板的破坏模式就会由失稳破坏转变为强度破坏，节点承载力提高反而不是很大。

图6 不同c模型的荷载－位移曲线

图7 节点承载力与 c的关系曲线

3 结束语

本文通过有限元程序对角钢塔 TT型节点进行了三维有限元建模，分析偏心受压节点板的破坏模式、节点板的极限承载力，讨论影响节点板极限承载力的因素，结论如下：①角钢塔节点的破坏模式主要为角钢失稳和节点板平面外失稳。当角钢厚度/节点板厚度＞1.2时，节点发生节点板的平面外失稳；当角钢厚度/节点板厚度＜1.2时，节点发生角钢失稳。②偏心作用能够显著地降低节点板的极限承载力，使极限承载力下降20 %～30 %。③节点参数对节点极限承载力的影响。节点板厚度，直接影响着节点承载力的大小，随着荷载的增加节点板的承载力线性增加；角钢的宽厚比对节点的极限承载力共同影响着节点板的承载力，若节点板厚度一定的情况下，随着宽厚比的增加，节点的极限承载力不断降低，反之，则提高；节点板的极限承载力随着净距离c的减小而增大，随着净距离c的增大而减小。

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