特高压输电塔半刚性连接节点受力性能试验及结构非线性分析研究

本项目结合我国正在建设中的特高压输电工程，拟建立特高压输电塔考虑半刚性连接节点的计算理论及实用设计方法。主要包括有以下两个方面的工作：.(1) 特高压输电塔半刚性连接节点的非线性受力性能的试验研究及模型化。考虑节点连接中螺栓数目与排列、不同型号主材与斜材的规格与刚度等对节点刚度的影响，通过试验和理论分析确定半刚性连接节点的弯矩-转角关系以及节点的极限承载力。.(2) 建立适用于输电塔结构考虑半刚性连接节点的非线性分析方法以及实用设计方法。在半刚性连接节点模型化的基础上，通过变分原理建立特高压输电塔结构的非线性有限元分析理论，并提出特高压输电塔考虑半刚性连接节点的结构设计方法。.通过本项目的研究，将使得特高压输电塔结构设计更具安全性与经济性。

运用组件法建立了输电塔中角钢塔K形节点初始转动刚度的计算模型，考虑了主角钢受剪、螺栓受剪、孔壁变形对节点转动刚度的影响。将主角钢受剪肢视为以剪切变形为主的短柱，采用叠加原理计算受剪肢的剪切变形，进而得到其转动刚度；将螺栓视为铁摩辛柯梁，采用虚功原理和单位荷载法求解其抗剪刚度。并与五组足尺的试验进行了验证，结果表明：所建立的力学模型具有较好的适用性。通过参数分析可知，螺栓个数和螺栓间距是影响该类节点初始刚度最重要的因素，其他如主角钢肢宽和肢厚、螺栓直径、节点板厚度对初始刚度也有一定的影响。为研究角钢塔K形节点的半刚性性能，建立了精细化的非线性有限元模型。与足尺节点试验结果对比表明，该有限元模型能较准确地反映此类节点的受力及变形特点。在实用范围内，通过变化节点的角钢肢宽和肢厚、螺栓直径、螺栓间距、螺栓个数、节点板厚以及材料强度来考察各因素对节点极限弯矩、初始转动刚度的影响。校核确定了各节点的刚度系数。运用最小二乘法拟合出Kishi-Chen 幂函数模型各参数的计算公式。误差带分析及弯矩-转角曲线对比表明：按拟合公式确定的Kishi-Chen 幂函数曲线能够较准确地预测此类节点的弯矩-转角关系。采用Hermite插值多项式及最小势能原理推导了考虑节点连接刚度的薄壁杆件单元的刚度距阵。