钢管十字插板连接承载力试验研究及有限元分析
摘要：为了研究广东某新建220 kV输电钢管塔交叉斜材连接所采用的十字插板连接形式的受力性能，选用连接处8组足尺连接节点进行承载力试验，连接件形式分别采用普通条形板、角钢、弯折板；结合试验结果，运用ANSYS软件对试件进行非线性有限元分析及参数分析，给出了连接件面积与钢管面积比值、钢管开槽长度与钢管管径比值的临界解。结果表明：该输电塔交叉斜材钢管管径配合下的十字插板连接安全可靠但不够经济，在轴压作用下采用近似等面积的角钢和弯折板连接件形式对节点承载力无影响；连接件面积与钢管面积比值大于临界解时，钢管发生弹塑性失稳破坏，小于临界解时，十字插板连接位置发生破坏。
关键词：十字插板连接；极限承载力；破坏模式；试验研究；有限元分析
中图分类号：TU312 文献标志码：A
经过1组6 mm厚条形板连接试验后发现连接强度足够满足要求，钢管破坏早于十字插板连接处，为增大钢管强度和刚度，在钢管内部灌注活性粉末混凝土（RPC），调整试验方案如表1所示。
1.2 测点布置及加载方案
1.2.1 测点布置
应变片布置如图2（a）所示，通过静态电阻应变仪测试各典型位置应变。在钢管中部布置2个垂直方向的百分表，测量钢管挠度。节点12除粘贴应变片外，在连接部位喷涂散斑，运用非接触性应变采集系统，测得整个喷涂散斑区域的应变、位移等，应变采集系统见图2（b）。该系统是一种基于数字图像法的新型测量技术，在加载过程中拍摄测量区域的散斑图像，通过其后处理分析可以得到测量区域内任意一点的应变、位移等数据，这是传统测量手段无法达到的。
2.2 加载方案
加载采用YAW5000F微机控制电液伺服压力试验机，分级加载，过程采用力控制，按照规范[21]加载速率选定为120 kN・min-1，按照设计荷载的50%，75%，90%，100%，105%，110%施压，之后荷载按照级差5%递增直至破坏。现场加载装置见图3。
1.3 试验结果分析
1.3.1 试验破坏模式分析
节点11（6 mm厚条形板）在承载力达到600 kN（400%设计荷载）时发生破坏，节点41（8 mm厚条形板）在承载力达到585 kN（380%设计荷载）时发生破坏，破坏模式为钢管塑性失稳破坏，钢管端部法兰下部钢管局部屈曲，十字插板连接处整个加载过程中未发生变形。
节点21（6 mm厚弯折板）、31（6mm厚角钢）、32（6mm厚角钢）分别在承载力达到1 180，1 282，1 190 kN时发生破坏。破坏现象相同，破坏模式为钢管RPC整体失稳破坏，钢管屈曲方向的端部插板、连接件发生屈曲变形破坏，钢管十字端头与节点板相接触，节点板受弯破坏。钢管侧向变形曲线类似于半波曲线，这3个试件钢管出厂质量以及连接处组装质量较好，整个试验过程类似轴心受压构件，不存在明显的偏心现象。除节点31外，螺栓减半，承载力未下降，在螺栓强度满足的前提下，十字插板相邻面螺栓1，3位置和2，4位置螺栓交替连接，采用此连接方式极大方便了现场施工。螺栓连接及破坏模式见图4。
2破坏模式
Fig.4 Failure Modes of Joints 21，31，32 节点22（6 mm厚弯折板）和节点42（8 mm厚条形板）由于钢管出厂本身存在一定程度的初始偏心，再加上十字插板的结构特性，无法完全保证组装后整个试件处于绝对竖直状态，节点22，42在加载之前存在明显视觉上的偏心，利用竖直吊锤测得2个方向存在8 mm的初始偏心，即相当于在试验过程中一直作用偏心竖向力。节点22极限承载力为800 kN，节点42极限承载力为850 kN，钢管侧向变形不再呈半波曲线，节点连接处钢管十字端头并未对节点板上十字接头造成挤压，之间空隙仍然存在，连接件与钢管上十字端头部分从对接处开始发生屈曲，破坏模式见图5。
2破坏模式
Fig.5 Failure Modes of Joints 22，42节点12（6 mm厚条形板）将钢管部分截掉，单纯做十字插板连接处的轴压试验，由于试件很短，整个过程基本处于轴压状态，随压力增大，十字端头与节点板上的十字接头中间5 mm的空隙压至0，接着压力直接作用在节点板上的十字接头，在1 000 kN压力时有一个方向的插板出现轻微的失稳变形，继续加载，节点板被压弯，整个连接部分整体变形，由1侧的变形带动其余3侧也发生变形，最终试件在1 280 kN达到极限承载力，发生整体扭转失稳破坏，破坏模式见图6。
12破坏模式
Fig.6 Failure Mode of Joint 121.3.2 位移结果分析
节点荷载位移曲线如图7所示，曲线在荷载施加初期位移变化很小，试件进入弹塑性阶段后位移
图7 节点荷载位移曲线
Fig.7 Loaddisplacement Curves of Joints变化显著。节点22与节点42因存在明显偏心，其荷载位移曲线为无规律的变化曲线。
1.3.3 应变结果分析
选取节点钢管中部截面上布置的4对径向和环向应变片测量结果以及十字插板连接件上最易屈曲的中部位置应变进行分析，如图8所示，测点1，3，5，7表示径向应变，测点2，4，6，8表示环向应变。
由图8可以看出：节点11，41在钢管部分进入塑性破坏时，连接件上应变值仍处于弹性阶段；节点21，31，32钢管上应变与连接件上应变发展基本保持一致，在1 000 kN压力时附近钢管及十字插板连接处均进入塑性发展，连接处的屈曲破坏是由轴向压力以及钢管变形增大的附加弯矩引起的；节点22，42由于存在明显的偏心，试件承载力降低33%，从500 kN压力时钢管RPC结构开始进入塑性发展，偏心方向应变增长加快，而在极限荷载之前，连接件上应变基本处于弹性范围内，在最后钢管变形突然增大的同时，连接处主要受弯矩作用而迅速压弯破坏。 节点12利用非接触性应变装置测得的喷涂散斑区域的应变变化如图9所示。由图9可知：初始加载时，整个截面应变较小，分布均匀[图9（a），（b）]；随荷载增加，螺栓附近应力集中明显，连接件上的应变分布由内向外呈增大趋势，最大应变在连接件外边缘[图9（c），（d）]；随荷载继续加大，螺栓滑移完成，十字端头与节点板接触上连接处发生屈曲变形，屈曲连接件上中部对接刚度不足，应变最大，应变值整体超过20×10-3，整个截面进入塑性状态[图9（e），（f）]。2 钢管十字插板连接有限元分析
在本文试验中发现轴压作用下连接件采用角钢、弯折板的优势并不明显，故在接下来的有限元分析中仍针对普通条形板连接。
2.1 钢管RPC十字插板连接建模
运用有限元软件ANSYS对钢管内灌RPC节点进行非线性有限元分析。钢材部分采用壳单元Shell181，混凝土采用实体单元Solid65。由试验结果可知，连接处破坏时连接件与十字端头、节点板发生协同变形，故建模时将它们看作一个整体，简化分析。钢材的本构关系采用多线性等向强化模型，弹性模量E=2.06 GPa，泊松比ν=0.3，并服从VonMises屈服准则，材料本构关系见图10，其中，σ1=345 MPa，σ2=470 MPa，σ3=97.1 MPa，σ4=108.4 MPa，σ5=120.3 MPa，ε1=0.001 67，ε2=0.013，ε3=0.12，ε4=0.002 0，ε5=0.002 4，ε6=0.003 2，ε7=0.004 3。
RPC与钢管间按粘结考虑，关闭容易导致非线性不收敛的压碎选项，初始挠度按L/1 000（L为钢管长度）施加，加载及约束条件与试验保持一致，节点下部采用固定端约束，上端铰接，顶面施加面荷载。
2.2 有限元模型验证
试验所得极限承载力为1 200 kN， 有限元分析结果显示极限承载力为1 350 kN，比试验结果大10%，主要是非线性有限元分析是根据理想的十字型插板连接节点建模，无法考虑试验试件中不可知的缺陷，以及由于焊缝残余应力的影响，该误差范围是可以接受的，在ANSYS后处理器中绘制荷载位移变化曲线，并与试验所测数据进行对比，见图11。结果表明总体趋势吻合，因而可用该模型进行钢管十字插板连接的受力分析。
2.3 有限元结果与试验结果对比分析
节点2破坏时，钢管RPC中部侧向位移最大，钢管发生整体失稳，十字插板连接处向钢管失稳方向屈曲，与试验破坏时状态相符，钢管RPC中部主应力与屈曲方向连接件上的主应力均超过屈服应力，见图12（a），且连接件上主应变外侧最大，见图12（b），与非接触性应变仪测得的应变分布较为吻合。
RPC运用该模型进行未灌RPC节点的有限元分析，极限承载力为650 kN，比试验结果大8%。钢管中部应变较大，钢管整体应变大于连接处，十字插板连接处应变均处于弹性范围，与试验现象相符，见图13。
经试算，当连接件厚度取4 mm时，钢管部分应力略大于连接处，较为经济合理。
2.4 有限元参数分析
由试验破坏现象可知，十字插板连接位置的破坏主要是连接件屈曲破坏，连接件面积对连接强度有直接影响。虽然十字插板与钢管管壁交汇处未发生破坏，但实际连接中十字插板只有一部分与钢管相互连接，这种连接形式将轴力通过管板连接转化为剪力，插板与钢管连接处受剪力作用，剪应力在构件之间未连接处减小而在连接处增加的现象称作剪切滞后效应，为此需增加钢管开槽长度对承载力的影响分析。
2.4.1 连接件面积对承载力的影响
由十字插板构造可知，在螺栓强度保证的前提下，十字插板强度和连接件强度对连接处强度有直接影响，但钢管塔十字插板节点设计中十字插板厚度通常取与之相连的节点板厚度，故本文不考虑十字端头面积对连接强度的影响。在保证连接中十字插板、螺栓不早于连接件出现破坏的前提下，改变连接件截面面积的大小，对不同连接件截面面积的模型求解，求出连接件面积与钢管面积比值的临界解α，见表2
由表2可见：α=1.03为临界值，当α小于临界值时，破坏模式为连接件发生破坏，承载力下降；当2.4.2 钢管开槽长度对承载力的影响
在连接件强度保证的前提下，改变钢管开槽长度，设开槽长度为LW，取参数β=LW/D（D为钢管管径）。参数β对承载力的影响见表3。
由表3可知：β=0.7为临界值，当β小于临界值时，承载力下降，试件在十字插板与钢管交汇区域附近发生管壁局部屈曲；当β大于等于临界值时，承载力不变，钢管发生弹塑性失稳破坏。3 结 语
（1）该输电塔交叉斜材钢管管径配合下的十字插板连接强度满足要求，但裕度较大，在轴压作用下采用近似等面积的角钢和弯折板连接件形式对节点承载力无影响。
（2）连接件面积与钢管面积的比值小于1.03时承载力下降，比值大于1.03时钢管先于连接处破坏，承载力不变。钢管开槽长度与钢管管径的比值小于0.7时，承载力下降，试件在十字端头与钢管交汇区域附近发生管壁局部屈曲；比值大于等于0.7时，承载力不变，钢管发生弹塑性失稳破坏。
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