第18卷第6期2020年12月
Vol.18No.6
Dec.2020中国工程机械学报
CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
输电铁塔主材螺栓连接节点滞回性能研究
江文强，董星华
（华北电力大学机械工程系，河北保定071003）
摘要：针对输电铁塔中典型的主材双肢螺栓连接节点，考虑主材节点中螺栓与螺栓孔间为最小间隙、正常间隙和最大间隙三种不同情况，通过有限元仿真分析，研究了主材节点在循环载荷作用下的滞回性能，获得了节点的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和耗能系数曲线。给出了螺栓构造间隙对节点滞回曲线的影响规律，为输电铁塔动力响应分析提供了理论基础。
关键词：输电铁塔；主材节点；循环载荷；构造间隙；滞回性能
中图分类号:TM75文献标志码:A文章编号:1672-5581（2020）06-0542-07
Rearch on hysteresis behavior of bolted joints in
transmission tower leg
JIANG Wenqiang，DONG Xinghua
（Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding071003，Hebei，China）
Abstract：The typical lap-splice bolted joints in the transmission tower are studied with considering the bearing，normal and maximum construction clearance between the bolt and hole.The hysteresis performance of the bolted joint under cyclic load is studied with finite element simulation method，and the hysteresis curve，skeleton curve，stiffness degradation curve and consuming coefficient curve of the joint are prented.The influences of bolt construction clearance on the hysteresis curve of the joints are prented，which provide the theoretical basis for the dynamic analysis of transmission tower.
Key words：transmission tower；tower leg bolted joint；cyclic load；construction clearance；hyster
esis performance
输电铁塔是架空输电线路的重要组成部分，是电力系统中电能传输、交换、调节和分配的主要环节［1］。它的承载能力对于输电线路的正常运行起着至关重要的作用。在正常运行条件下，输电铁塔受到的载荷主要有导线的自重载荷、由风产生的风压载荷以及导线覆冰后产生的冰重载荷。
随着输电线路电压等级的提高，超高压、特高压输电线路越来越多，铁塔结构的空间尺度也越来越大，输电塔向着更高、更轻、更柔的方向发展，这也使铁塔对风荷载的反应越来越灵敏，更易产生较大的动力响应。为保障风荷载作用下输电线路的正常工作，学者们对输电铁塔风致动力响应进行了大量的研究，结果发现脉动风引起的塔身杆件轴应力变化明显［2-5］。
输电铁塔结构是以型钢（角钢）通过螺栓连接而成的空间结构［6］，节点力学性能对于铁塔的静动态特性有重要影响。近年来，我国因大风导致的输电铁塔倾斜、倒塔事故时有发生，且破坏位置多位于塔腿主材螺栓节点处，因此，研究主材螺栓连接节点的力学特性，对于分析输电铁塔风致动力破坏过程有重要意义。目前，学者们针对输电铁塔螺栓连接节点的静力学性能，如螺栓连接滑移［7-8］、连接半刚性［9］以及螺栓连接节点的强度［10-12］等进行了大量研究，而针对动态载荷下节点的力学性能研究方
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（2018MS119）；国家电网公司总部科技项目（SGHE
BD00FCJS2000217）作者简介：江文强（1980—），男，副教授，博士。E-mail：************************
第6期江文强，等：输电铁塔主材螺栓连接节点滞回性能研究
面却相对较少。现有文献中的研究对象多为钢框
架结构螺栓连接节点［13-15］，然而由于两者的结构形
式和受力特点有很大差异，钢框架螺栓连接节点的
研究结果不能直接应用于输电铁塔结构动力响应
分析。
本文针对66kV输电铁塔中的主材螺栓连接
节点，通过有限元仿真的方法，研究循环载荷作用
下节点的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、耗能
系数，分析不同构造间隙对主材螺栓连接节点滞回
性能的影响，为输电铁塔风致动力破坏分析提供了
理论基础。
1有限元分析模型的建立
1.1有限元模型
本文选取了66kV典型直流输电铁塔中塔腿
主材-主材螺栓双肢连接节点作为研究对象，节点
相关参数如表1所示，节点详细尺寸如图1（a）所示。剖分后的有限元模型如图1（b）所示，其中角钢和螺栓均采用三维实体单元Solid186单元进行剖分，为了使计算结果更加准确，在有限元剖分时，将螺栓头、螺栓孔以及螺栓杆部位进行了加密，共计得到8340个单元和24517个节点。为了准确模拟螺栓与螺栓孔的挤压行为，采用TARGE170单元作为目标面，CONTA174单元作为接触面，将螺栓与螺栓孔、螺栓与角钢、角钢与包钢之间设置为接触对，接触对数目为92个。
1.2材料模型
角钢和螺栓材料的应力-应变关系曲线采用双线性随动强化模型，包含弹性阶段和强化阶段，由Von-Mis屈服准则及相关流动法则判别弹塑性的发展。模型中考虑了包辛格效应，适用于循环加载情况［16］。根据角钢拉伸试验结果［17］，角钢弹性模量取206GPa，泊松比取0.3，摩擦系数μ取0.26，屈服强度为351MPa，切线模量为17.1GPa。
1.3螺栓预紧力模拟
在螺栓连接中，旋紧螺帽时施加的扭矩为螺栓连接提供预紧力。ANSYS有限元中常用的模拟预紧力加载的方法有预紧力单元法、降温法和侵入法［18］。
侵入法通过ANSYS接触分析的初始渗透可以模拟螺栓的预紧力。具体做法是接触分析时给定初始渗透为施加预紧力之后螺杆和被联接件的变形总和Δl，然后建立接触对。由于初始渗透的影响，螺杆受到拉力，被紧固件受到压力，即可模拟出螺栓的预紧力作用。本文采用侵入法模拟螺栓预紧力。
1.4边界条件及加载方式
有限元模型边界条件为固定节点一侧角钢端面，即对端面施加全约束，对另一侧角钢端面施加幅值逐渐增大的低周循环位移载荷，加载路径如图2所示。
1.5螺栓构造间隙状态设置
输电铁塔节点构造时，根据具体施工情况的不
表1主材节点参数
Tab.1Parameters of tower leg bolted joint
参数
角钢材质角钢1型号角钢2型号外包钢型号
数值
Q345B
L70×5
L63×5
L75×5
参数
螺栓型号
螺栓孔直径/mm
螺栓排数
螺栓等级
数值
M16
17.5
单排
6.8
图1主材螺栓连接节点
Fig.1Tower leg bolted
joint
图2循环载荷加载方式
Fig.2Cyclic loading method
543
第18卷
中国工程机械学报同，因加工误差和安装误差，螺栓杆在螺栓孔中的位置也可能出现多种多样的情况。以单螺栓连接为例，图3给出了三种可能出现的情况［19］。本文对三种不同构造间隙的螺栓连接节点模型分别施加上述端面位移载荷，通过分析得到循环载荷作用下的节点端部的载荷-位移曲线，并进行了分析对比。
2
节点滞回性能分析
2.1
滞回曲线
滞回曲线是指在低周往复载荷作用下所施加
作用力与结构位移之间的函数曲线。滞回曲线越饱满、滞回环包围面积越大，结构延性越好，滞回性
能越优越。图4为三种间隙状态的输电铁塔塔腿主材-主材螺栓连接节点滞回曲线。
从图4（a ）正常间隙螺栓连接节点的滞回曲线中可以看出，由于存在螺栓滑移，曲线中存在斜率为零的水平段，此水平段的长度即为螺栓滑移距离，正向加载时正常间隙节点螺栓滑移距离约为3mm 。受螺栓滑移和刚度退化影响，节点滞回曲线整体呈Z 形，具有明显的捏缩形态。
将图4（b ）与图4（a ）对比可以看出，正向加载时，由于螺栓孔与杆之间的构造间隙变大，最大间隙节点螺栓滑移距离约为5mm ，滑移距离变长，滞回曲线更加饱满，但反向加载时则会较早进入塑性变形阶段，产生刚度退化。将图4（c ）与图4（a ）对比可以看出，正向加载时，最小间隙节点不存在螺栓滑移，在初始加载阶段即存在螺栓杆与孔之间的挤压变形，因此，较早进入塑性变形阶段，产生刚度退化，滞回曲线饱满程度降低，变形能力和耗能能力较差。
为了更加清楚地观察节点滞回曲线的变化过程，图5给出了正常间隙螺栓连接节点在不同位移载荷幅
值下的滞回曲线。从图5（a ）~图5（d ）中可以看出，在位移载荷幅值为1~4mm 期间，节点处于弹性变形和螺栓滑移阶段，滞回曲线近似呈梭
形，滞回环较为饱满，并且随着位移幅值的增加，滞回环的面积逐渐增大，反映出节点的滞回性能较好，能较好地吸收振动能量，节点具有较强的变形能力与耗能性能。从图5（e ）~图5（h ）中可以看出，在位移载荷幅值为4~8mm 期间，节点逐渐进入塑性变形阶段，滞回曲线逐渐表现为Z 形，出现捏缩形态。随着位移幅值增大，曲线斜率逐渐降低，表明节点产生了刚度退化现象，这是因为螺栓滑移后，螺栓杆与螺栓孔壁之间产生挤压，接触部位塑性区域不断扩大导致刚度出现退化，节点承载能力降低。2.2
骨架曲线
为了了解循环载荷作用下螺栓连接节点的力学性能变化情况，提取滞回曲线上各次循环加载峰值点，得到节点的骨架曲线。骨架曲线可用于判断结构承载能力的变化，通过骨架曲线的斜率变化可反映节点处于不同阶段时的刚度退化情况。图6为三种节点的骨架曲线。
从图6节点骨架曲线对比可以看出，正向位移骨架曲线与节点单向加载所获得的位移-载荷曲线类似［20］。以正常间隙螺栓连接节点为例，
在加载初
图3
不同构造间隙的螺栓连接
Fig.3Bolted joints with different construction
clearance
图4
不同间隙状态节点滞回曲线
Fig.4
Hysteresis curves of joints with different construction clearance
544
第6期江文强，等：输电铁塔主材螺栓连接节点滞回性能研究
期，节点首先产生弹性变形，此后发生螺栓连接滑移，骨架曲线接近水平，说明在螺栓滑移阶段节点刚度迅速降低。继续加载后节点逐渐进入塑性变形阶段，由骨架曲线斜率逐渐下降可反映出节点的刚度产生退化，并且随着位移的增加，退化程度不断加大。
从图6中还可以看出：在正向加载过程中，当位移载荷幅值较小时，三种节点的骨架曲线基本重合；随着位移载荷幅值增大，正常间隙节点和最大间隙节点产生螺栓滑移，且最大间隙节点滑移量更大，而最小间隙节点不存在螺栓连接滑移，直接发生螺栓与孔壁之间的挤压变形。在反向加载过程中，最
大间隙节点未表现出滑移特性，而最小间隙节点具有明显的螺栓滑移过程且滑移量最大，并且反向载荷峰值点最低，承载能力最差。
通过对比图6中的正向和反向加载骨架曲线，可以发现两个曲线并非是完全反对称。以正常构造间隙节点为例，其正向骨架曲线对应的载荷峰值
要高于反向骨架曲线对应的载荷峰值。图7给出了反向加载位移载荷幅值8mm 时的应力云图。从图中可以看出，由于螺栓连接节点在受压时，主材角钢并非轴心受压，包角钢的存在使节点受到压弯载荷作用，因此，角钢轴线将发生横向挠曲变形，直至节点发生局部失稳现象，这使得反向加载过程中骨架曲线出现明显的下降段，导致正向和反向加载骨架曲线不对称的现象产生。
2.3
刚度退化
在非线性恢复力模型中，结构刚度会随加载位
移及循环次数不断增大而逐渐减小。通常选用割线刚度表示结构刚度变化，取一个加载循环中载荷与位移两个方向正负绝对值之和的比值［21］，并采用刚度退化系数来反映不同循环次数下节点刚度的退化情况：
k i =
||+F i +|
|-F i ||+X i
+|
|-X i
（1）δi =
k i k 1
（2
）
图5
不同幅值位移载荷加载后正常间隙节点滞回曲线
Fig.5
Hysteresis curves of normal construction clearance after different displacement
loading
图6节点骨架曲线Fig.6
Skeleton
curve
图7
正常间隙节点应力云图（反向加载）
Fig.7
Stress contour of bolted joint with normal construction clearance （compression loading ）
545
第18卷中国工程机械学报
式中：k i为第i次循环加载后节点刚度值；F i为第i 次循环峰点载荷值；X i为第i次循环峰点位移值；δi 为第i次循环节点刚度退化系数。
根据图4所示的滞回曲线，采用式（1）、式（2）计算得到三类不同节点加载循环下的割线刚度和刚度退化系数，如表2所示。绘制节点刚度退化曲线如图8所示。
结合表2所示的节点刚度数值和图8所示的节点刚度退化曲线，可以看出三种节点的刚度退化曲线均为先降低再趋于平缓，并且随循环次数增加，三者刚度值逐渐接近。经过8次循环加载后，正常间隙节点刚度下降64.97kN/mm，刚度退化系数为0.36；最大间隙节点刚度下降68.49kN/mm，刚度退化系数为0.31；最小间隙节点刚度下降65.99kN/mm，刚度退化系数为0.30；最终刚度退化系数表现为正常间隙>最大间隙>最小间隙。由此可见，正常间隙节点具有最佳刚度保持特性，最小间隙节点刚度保持特性最差。
2.4耗能能力分析
耗能能力是衡量结构构件在循环载荷作用下，吸收耗散外力输入能量的能力指标。节点耗能能力通常可以通过耗能系数来体现。耗能系数E可表示为
E=S1S
2
（3）式中：S1为图9滞回环中ABCD所包围的面积，是结构在一个循环中所耗散的能量总合；S2为三角形ODF与三角形OBE所围成的面积之和，是结构在弹性范围内所吸收的能量。
由此可知，循环载荷作用下结构的滞回曲线越饱满，则耗能系数越大，说明节点的耗能能力越强。
根据图5所示的滞回曲线，采用式（3）计算得到三类不同节点的耗能系数E，如表3所示，绘制节点耗能系数曲线如图10所示。
结合表3所示的节点耗能系数和图10所示的节点耗能系数曲线，可以看出随着循环载荷幅值的增加，正常间隙节点耗能系数呈现为先增大再减小的趋势。在位移载荷幅值约为3mm时，耗能系数
表2节点刚度退化分析表
Tab.2Joints stiffness degradation analysis
循环次数
1
2
3
4
5
6
7
8
正常间隙
K i
101.92
100.07
35.16
28.80
39.60
36.86
37.95
36.95
δi
1.00
0.98
0.34
0.28
0.39
0.36
0.37
0.36
最大间隙
K i
99.26
71.83
52.21
40.94
33.60
27.76
30.78
30.77
δi
1.00
0.72
0.53
0.41
0.34
0.28
0.31
0.31
最小间隙
K i
94.27
67.33
64.28
41.99
35.72
36.80
31.11
28.28
δi
1.00
0.71
0.68
0.45
0.38
0.39
0.33
0.30
图8节点刚度退化曲线
Fig.8Joints stiffness degradation curve
表3节点耗能能力分析表
Tab.3Joints consuming analysis
载荷幅值/mm
1
2
3
4
5
6
7
8
正常间隙
S1
109.71
413.90
701.77
888.29
1138.33
1502.13
1909.53
2186.46
S2
75.84
139.09
215.93
460.72
989.85
1219.02
1362.59
1555.04
E
1.45
2.98
3.25
1.93
1.15
1.23
1.41
1.41
最大间隙
S1
67.49
339.03
713.10
1004.21
1302.80
1585.11
1904.23
2207.13
S2
99.26
287.31
418.83
515.70
600.03
851.79
1088.64
1301.01
E
0.68
1.18
1.70
1.95
2.17
1.86
1.75
1.70
最小间隙
S1
63.07
273.73
590.42
825.30
991.11
1283.46
1876.63
2416.61
S2
94.27
269.30
424.50
599.78
893.03
1325.13
1604.26
1724.80
E
0.67
1.02
1.39
1.38
1.11
0.97
1.17
1.40 546
