徐明鳴，袁 星，孫銘澤，王磊磊，曹 展

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410007；2.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，南京 210024)

近年在國家“一帶一路”政策背景下，中國工程企業(yè)積極推進(jìn)工程咨詢業(yè)務(wù)國際化及“走出去”的戰(zhàn)略，境外工程總承包、設(shè)計(jì)及施工等業(yè)務(wù)逐漸增多。同時(shí)在工程建設(shè)過程中面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，尤其是非傳統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)，如工程實(shí)體的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)質(zhì)量問題。本文以國外某500 kV雙回路轉(zhuǎn)角塔導(dǎo)線掛板螺栓斷裂為例，通過進(jìn)行理論計(jì)算和有限元數(shù)值模擬分析，得出了掛板處螺栓受力規(guī)律及建議措施。

1 導(dǎo)線掛板螺栓斷裂狀況

國外某500 kV雙回路轉(zhuǎn)角塔由工程所在國設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)風(fēng)速35 m/s，設(shè)計(jì)覆冰0 mm，導(dǎo)線截面積為468 mm2(四分裂)，地線截面積為168 mm2，允許轉(zhuǎn)角為0°～20°。鐵塔設(shè)置4層橫擔(dān)整體呈鼓型結(jié)構(gòu)，鐵塔構(gòu)件均采用角鋼，其材質(zhì)采用S355JR(力學(xué)性能類似國內(nèi)Q345材質(zhì))及S235JR(力學(xué)性能類似國內(nèi)Q235材質(zhì))，螺栓采用8.8級(jí)M16 mm、M20 mm及M24 mm，結(jié)構(gòu)計(jì)算及材料參數(shù)采用BSEN1993-1-8—2005《歐洲規(guī)范3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1—8部分》。導(dǎo)線橫擔(dān)采用“尖嘴”的型式，兩主材角鋼尖端無焊接及側(cè)向螺栓連接，導(dǎo)線橫擔(dān)下平面的掛線處設(shè)置一塊掛線板連接下平面主材，單肢設(shè)置3顆8.8級(jí)M16 mm螺栓。

該塔實(shí)際轉(zhuǎn)角19.7°，架線作業(yè)前五相導(dǎo)線緊線完成且弧垂調(diào)整完畢，當(dāng)右下相導(dǎo)線緊線時(shí)發(fā)生突然發(fā)生導(dǎo)線掛線板上6顆螺栓全部剪斷，導(dǎo)線掛線板脫落且橫擔(dān)主材嚴(yán)重彎曲變形的情況，脫落的導(dǎo)線掛線板完整無斷裂，其螺孔壁未有明顯變形。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)荷載條件

設(shè)計(jì)文件提供的導(dǎo)線安裝荷載具體為安裝導(dǎo)線時(shí)水平力荷載為64.590 kN，縱向力荷載為242.660 kN，垂直力荷載為239.200 kN。

2.2 理論計(jì)算分析

2.2.1 單螺栓承載力計(jì)算

根據(jù)EN 1993-1-8—2005《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第1—8部分：節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)，1顆M16 mm且性能等級(jí)為8.8級(jí)螺栓抗拉強(qiáng)度為800 N/mm2，屈服強(qiáng)度為640 N/mm2，剪切強(qiáng)度為480 N/mm2。材料分項(xiàng)系數(shù)為1.25(考慮到材料性能的離散性)[1]，由于螺栓破壞位置不在螺紋處,螺栓毛截面積為201 mm2，根據(jù)公式[2](1)計(jì)算出螺栓的抗剪設(shè)計(jì)荷載值為77.18 kN。

(1)

式中：FV為螺栓抗剪承載力；γm2為材料分項(xiàng)系數(shù)，取1.25；αV為螺栓剪切與拉伸相關(guān)系數(shù)，取0.6；fub為螺栓抗拉強(qiáng)度；A為螺栓毛截面積。

2.2.2 螺栓群承載力計(jì)算

螺栓群分布見圖1。假定螺栓群形心位于圖1中O點(diǎn)，即XOY坐標(biāo)系原點(diǎn)，縱向力通過形心，水平力相對(duì)形心存在偏心，各螺栓到形心的距離見表1，rx為各螺栓到形心的X方向距離，ry為各螺栓到形心的Y方向距離。

圖1 螺栓群分布

表1 螺栓群到形心距離 mm

在偏心矩作用下，根據(jù)螺栓受力大小與其到形心的距離成正比關(guān)系：

(2)

平衡條件：

(3)

(4)

(5)

在考慮縱向力和水平力共同作用下，橫擔(dān)導(dǎo)線掛板螺栓群受力見表2，Nx、Ny分別為螺栓X和Y方向剪切力。

表2 螺栓群受力結(jié)果 kN

根據(jù)螺栓群理論計(jì)算且考慮荷載偏心影響，可知4號(hào)螺栓綜合剪力最大為66.85 kN，未超過單顆螺栓的抗剪設(shè)計(jì)值77.18 kN。

2.3 有限元數(shù)值計(jì)算

2.3.1 原設(shè)計(jì)圖分析

采用Abaqus有限元數(shù)值分析導(dǎo)線掛板螺栓受力情況，按設(shè)計(jì)圖紙尺寸建立導(dǎo)線橫擔(dān)下平面主材、掛線板和螺栓的實(shí)體模型見圖2[3]，螺栓群標(biāo)號(hào)見圖3。

圖2 有限元模型

圖3 螺栓位置標(biāo)號(hào)

計(jì)算結(jié)果顯示，各螺栓受力不均勻程度較大，螺栓之間受力差異明顯，并非理論計(jì)算中的均勻受力狀態(tài)[4]，螺栓群Y、X方向剪應(yīng)力柱狀圖見圖4、圖5。4號(hào)螺栓剪應(yīng)力最大，其X方向與Y方向剪應(yīng)力值分別為237.2 MPa、646.9 MPa， 3號(hào)螺栓剪應(yīng)力最小，其X方向與Y方向剪應(yīng)力值剪應(yīng)力分別為37.9 MPa、181.2 MPa，3號(hào)螺栓對(duì)應(yīng)方向剪應(yīng)力分別為4號(hào)螺栓的6.26倍和3.57倍。

圖4 螺栓群Y方向剪應(yīng)力柱狀圖

圖5 螺栓群X方向剪應(yīng)力柱狀圖

圖6為螺栓群綜合剪應(yīng)力柱狀圖。從圖6可以看出，掛導(dǎo)線側(cè)的3個(gè)螺栓(4號(hào)、5號(hào)、6號(hào))較非掛線側(cè)的3個(gè)螺栓(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào))的應(yīng)力值大，前者螺栓平均值綜合剪應(yīng)力約為后者的1.38倍。其次螺栓從橫擔(dān)內(nèi)到外，剪力呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，內(nèi)側(cè)螺栓剪應(yīng)力值約為外側(cè)螺栓的2.64倍。主要分析為橫向水平荷載使得掛線板產(chǎn)生偏心受力且形成彎矩作用在螺栓群中，彎矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力與縱向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力在內(nèi)側(cè)螺栓1號(hào)、4號(hào)處同向疊加，而外側(cè)螺栓3號(hào)、6號(hào)處的這兩種應(yīng)力部分抵消，從而導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)螺栓的受力不均勻性程度更大[5-6]。其中4號(hào)螺栓綜合剪應(yīng)力最大，其值為648.6 MPa，已超過螺栓剪切應(yīng)力允許值480 MPa和屈服應(yīng)力允許值640 MPa，會(huì)發(fā)生破壞。該處螺栓不能按理論計(jì)算中均勻承受剪力來設(shè)計(jì)數(shù)量，原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)螺栓數(shù)量過少。

圖6 螺栓群綜合剪應(yīng)力柱狀圖

2.3.2 臨界螺栓數(shù)量計(jì)算

考慮掛線板處螺栓群受力不均勻性，采用Abaqus有限元數(shù)值計(jì)算該塔導(dǎo)線掛線板的臨界螺栓個(gè)數(shù)。通過調(diào)整掛線板有限元模型螺栓數(shù)量，見圖7、圖8，當(dāng)螺栓數(shù)量為10顆時(shí)，單個(gè)螺栓最大剪應(yīng)力為476 MPa，此時(shí)處于設(shè)計(jì)承載安全范圍內(nèi)。螺栓數(shù)量為8顆時(shí)，螺栓最大剪應(yīng)力為552 MPa，此時(shí)超出螺栓剪切應(yīng)力允許值，說明該塔至少需要10顆8.8級(jí)M16 mm螺栓才能保證其受力安全性。螺栓群數(shù)量與螺栓剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3，Y、X方向最大剪應(yīng)力不是同時(shí)出現(xiàn)。

圖7 16顆螺栓群數(shù)值模型

圖8 10顆螺栓群數(shù)值模型

表3 螺栓群數(shù)量與螺栓剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系 MPa

2.4 掛線板螺栓受力分析

結(jié)合國內(nèi)鐵塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及真型試驗(yàn)情況可知[7]，橫擔(dān)采用“尖嘴”的形式，其結(jié)構(gòu)體抗變形能力較差，易造成桿件變形及不均勻受力。掛板節(jié)點(diǎn)設(shè)置不合理，螺栓沿主材方向布置，兩條受力線之間成夾角，前后螺栓不能共同工作且橫擔(dān)實(shí)際受力存在偏心，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中后先破壞一部分螺栓，最終螺栓全部剪切破壞。

該塔導(dǎo)線掛線處僅靠一塊掛線板連接兩個(gè)下平面主材，主材尖端無焊接或側(cè)向螺栓連接。原設(shè)計(jì)未考慮此種結(jié)構(gòu)布置形式產(chǎn)生的變形及額外應(yīng)力，設(shè)計(jì)的6顆螺栓除了承載導(dǎo)線荷載、施工荷載外，還承擔(dān)著協(xié)調(diào)兩主材變形額外應(yīng)力荷載。

3 結(jié)論及建議

a.按設(shè)計(jì)荷載分析，導(dǎo)線掛板螺栓存在明顯不均勻受力現(xiàn)象。4號(hào)螺栓綜合剪應(yīng)力最大，其值為648.6 MPa，超過螺栓剪切應(yīng)力允許值480 MPa和屈服應(yīng)力允許值640 MPa，會(huì)發(fā)生破壞。該處螺栓不能按理論計(jì)算中均勻承受剪力來計(jì)算數(shù)量，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)6顆螺栓，數(shù)量過少，至少應(yīng)增加至10顆8.8級(jí)M16 mm螺栓才能符合設(shè)計(jì)要求。

b.“尖嘴”橫擔(dān)形式整體抗變形能力較差，易造成橫擔(dān)主材不均勻變形，產(chǎn)生安裝次生應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)的6顆螺栓除了承載導(dǎo)線荷載、施工荷載外，還承擔(dān)著協(xié)調(diào)兩主材變形額外應(yīng)力荷載，同時(shí)導(dǎo)線掛板螺栓群設(shè)置不合理，螺栓沿主材方向布置，兩條受力線之間成夾角，前后螺栓不能共同工作，增加螺栓剪斷的安全風(fēng)險(xiǎn)。

c.鑒于尖嘴型橫擔(dān)的受力不清晰，存在偏心、次彎矩、多次火曲等對(duì)多種結(jié)構(gòu)受力不利因素，推薦110 kV及以上電壓等級(jí)的鐵塔橫擔(dān)采用梯形。

d.輸電鐵塔導(dǎo)線掛點(diǎn)處受力復(fù)雜，掛板螺栓群的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮螺栓受力不均勻性。