角钢塔曲臂K节点变形原因分析及对策研究
时间：2023-05-31 10:15:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
辜良雨，李 林，廖邢军，刘翔云，陇源杰，付卫斌
(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；
2.云南电网有限责任公司建设分公司，云南 昆明 650051)
在单回交流输电线路中，悬垂直线塔通常有酒杯塔和猫头塔两种型式，两种型式各有优缺点。酒杯塔导线呈水平排列、导线水平间距大、线路走廊宽、房屋拆迁多；
但由于塔头较低，防雷效果较猫头塔更优，且塔材耗钢量较轻。而猫头塔导线呈三角形排列，具有导线水平间距小、线路走廊小、房屋拆迁少的优点；
但由于塔头较高，防雷效果不如酒杯塔，且塔材耗钢量较重。
铁塔型式选择与沿线的地形条件、交通条件、气象条件、林木和房屋以及对线路有影响的设施分布情况、运行维护等有着密不可分的关系。由于酒杯塔和猫头塔各有优缺点，两种塔型在工程中都得到了广泛应用。但酒杯塔和猫头塔的塔头上下曲臂K节点属于刚度相对薄弱点。500 kV平武线送电线路工程[1]和1000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程[2]均出现了曲臂K节点位移的情况且经过了试验验证。文献[3-4]通过现场调查、理论分析和真型试验3个方面，分析了K节点位移及其对结构承载力的影响。文献[5]利用数理统计原理分析铁塔K节点变形，给出了K节点变形值的合理范围[5]。
下面在上述研究成果的基础上，从设计、加工和施工的角度对角钢塔曲臂K节点变形原因进行分析，并结合理论研究和工程实践经验，提出有效控制角钢塔曲臂K节点变形的措施。
1.1 曲臂K节点
酒杯塔和猫头塔的共同特点是塔头由曲臂与导地线横担构成，上下曲臂均为K节点连接结构。不同的是，酒杯塔边横担和中横担均在K节点以上，猫头塔边横担在K节点以下，如图1所示。
图1 酒杯塔、猫头塔塔头
上下曲臂采用K节点连接具有构造简单、传力清晰、施工方便等优点，但是K节点易产生水平方向变形，尤其对于导线三角排列的猫头塔，K节点向外鼓曲变形也是工程建设和运行维护中普遍存在的一个突出问题，曲臂K节点变形如图2所示。
图2 曲臂K节点变形实例及示意图
1.2 变形情况调研
以云南某500 kV交流输电线路工程为例，该工程采用南方电网典型设计5E1Y1、5E1Y2模块，在质检验收中发现有大量猫头塔曲臂K节点处存在不同程度的向外鼓曲变形。对各标段猫头塔进行了逐基测量，共得到479基铁塔的K节点位移值情况，详见表1。
表1 各标段猫头塔K节点单侧位移值统计
从测量数据可以看出：各标段猫头塔曲臂K节点向外鼓曲变形是普遍存在的现象；
不同标段单侧位移值离散性较大，同一塔型在不同塔位甚至在同一标段位移相差较大；
各标段单侧位移平均值为23.4～49.1 mm，与外曲臂主材的长度之比约为1/160～1/350。对所有塔位的位移情况进行统计分析，所有塔位K节点单侧位移最小值为15 mm，最大值为70 mm，平均值为35.3 mm，位移值分布如图3所示。
图3 曲臂K节点单侧位移值分布
由图3可见：约86.6%的塔位单侧位移小于40 mm，约12.6%的塔位单侧位移在40～60 mm，约0.8%的塔位单侧位移大于60 mm；
约92.5%的单侧位移值集中在20～50 mm。
为分析猫头塔K节点变形原因，在地面进行了两种猫头塔塔头的试组装，采用卧式组装后再吊装竖直。试组装结果表明：卧式组装K节点位移值较小，甚至出现负值的情况，说明卧式组装由于螺孔间隙、安装误差、加工误差等原因会产生偏差，但是偏差值不大；
吊装竖直后，受自重影响，螺栓发生滑移，螺栓与螺孔孔壁发生挤压抵紧，发出“咯吱咯吱”的声响，K节点向外鼓曲，单侧位移平均值在30 mm左右。
2.1 设计因素
酒杯塔和猫头塔曲臂K节点以上部分是典型的铰拱结构，铁塔组装完成之后，在横担自重和导地线垂直荷载作用下会发生鼓曲变形，但受力特点存在差异：对于酒杯塔，中横担自重和中导线垂直荷载使得K节点向外鼓曲，但边横担自重和边导线垂直荷载使得K节点向内侧移动，如图4所示；
对于猫头塔，中横担自重和中导线垂直荷载使得K节点向外鼓曲，边横担自重和边导线垂直荷载同样使得K节点向外侧鼓曲，如图5所示。
图4 酒杯塔K节点位移分析
图5 猫头塔K节点位移分析
因此，猫头塔曲臂K节点向外鼓曲变形是一种力学现象，是受力的必然反映；
酒杯塔由于边导线和中导线具有相互抵消的作用，K节点向外鼓曲变形的趋势要小一些。
为了研究猫头塔曲臂K节点理论变形量的大小，以5E1Y2-ZMH塔型为例，采用杆单元模型计算右曲臂外侧各节点的理论位移值。选择6个计算工况，其中：工况1，未架线，无风；
工况2，未架线，风速为10 m/s；
工况3，已架线，风速为10 m/s；
工况4，已架线，大风，最大垂直荷载；
工况5，已架线，大风，最小垂直荷载；
工况6，已架线，覆冰，最大垂直荷载。计算结果如图6所示。
图6 典型工况下猫头塔曲臂位移值
从图6中数据可以看出：
1)上曲臂各点沿横担方向的位移值(绝对位移)在大风工况下较大，其次是覆冰工况，在安装和未架线工况下较小。
2)在各工况下，上曲臂各点的变形并不相同。以曲臂K节点为界，变形曲线基本呈双折线模式，在曲臂K节点处出现拐点，即外鼓变形。这和现场观察到的现象基本一致。说明K节点作为刚度上的薄弱点，在正常加工和施工情况下，其受力时的变形现象为外鼓变形。
3)K节点的相对变形值与导地线垂直荷载关系较大。垂直档距越大，垂直荷载越大，理论计算变形值也相对越大。
4)在各工况下，K节点相对外曲臂上下端点的理论变形值较小。架线前的相对变形约为杆件全长的1/3000，架线后约为杆件全长的1/500，大风情况下约为杆件全长的1/750，覆冰情况下约为杆件全长的1/350。
为了探讨K节点位移对附近杆件受力的影响，假定猫头塔未强行组装，K节点位移主要为螺栓滑移变形，不会产生附加内力。因此，在正常加工和组装的前提下，可仅考虑K节点坐标、尺寸变化对构件承载力的影响。以5E1Y1-ZMH1为例，对K节点位移后的内外曲臂主材进行受力分析，如图7所示。
由图7可知，在不考虑附加内力的前提下，K节点向外位移会导致上曲臂内主材、上下曲臂外主材内力增加，单侧位移达到80 mm时上曲臂内主材内力增加11%。
图7 K节点位移对主材内力影响
2.2 加工因素
放样尺寸误差、螺孔间隙、塔材的初弯曲以及瓶口、曲臂、曲板角度等加工因素，均对K节点的位移有一定影响。
由于输电铁塔全部采用粗制螺栓，螺栓孔比螺栓公称直径一般大1.5～2.0 mm。而实际加工制造时，孔径往往还要偏大，而螺栓实际直径往往比公称直径偏小，这样会进一步加大相关节点的位移。
由于螺栓与螺孔之间的间隙，会造成最大构造间隙为2e(e为螺孔与螺杆直径的差值)，如图8所示。
图8 螺栓滑移
根据现场测量数据，螺孔直径平均比螺栓公称直径大2.17 mm，单个螺栓间隙滑移最大值达4.34 mm。螺栓与螺孔之间的间隙引起的累积位移往往不可忽略，对K节点处位移影响较大。
2.3 施工因素
施工工艺、施工方法和施工习惯，也会对曲臂K节点的位移产生影响。从各施工标段提供的数据可以看出，不同标段单侧位移平均值的离散性较大，这说明了位移大小和施工队伍、施工工艺关系较大，良好的施工工艺和组织管理可有效控制曲臂K节点相对位移。
在塔头组装时，由于上部未闭合，若未对左右两侧K节点进行位移限制，下曲臂和塔身形成一个开口式Y型结构，在自重作用下会产生一定位移，如图9所示。
图9 塔头组装
为了验证施工因素对K节点的影响，对云南某工程AN145塔位铁塔组立过程进行了监测。施工采用内悬浮内拉线方法，组装塔头部位时内拉线打在塔身杆件上，不对塔头杆件施加外荷载，现场组立如图10所示。
图10 AN145塔位现场组立监测
对塔头部位控制点的坐标进行测量，将测量数据投影到竖直面上，通过与下曲臂上平面主材交点(见图10中测点9)的相对位置关系，研究塔头各点的位移情况，测量数据见表2、表3。
表2 垂直位移测量数据
从表2可以看出，各测点垂直坐标Z的差值均为负，表明曲臂和横担发生向下位移；
从表3可以看出，各测点水平坐标均为正，表明曲臂和横担向外位移。这是由于塔头上部未闭合，下曲臂和塔身形成一个开口式的Y型结构。此时若不采取限制位移的措施，曲臂和横担在自重作用下将产生下坠，导致K节点向外鼓曲变形。
表3 水平位移测量数据
如果不对曲臂和横担的下坠进行纠正就组装顶部的水平横担，则需将K节点上部左右塔材强行拉近才能组装到位。然而，K节点刚度相对塔头其他部位较弱，会使得K节点主材向外鼓曲，如图11所示。
图11 猫头塔K节点变形
2.4 K节点变形原因小结
通过上述分析可知，曲臂K节点向外鼓曲是一种力学现象，经计算，常规500 kV猫头塔曲臂K节点架线前的理论相对位移约为2～3 mm，架线后的理论相对位移约为3～15 mm，理论变形值相对较小。
从典型铁塔组立结果可以看出，施工方法对K节点位移影响较大，如果强制组装不对曲臂和横担的下坠进行纠正，将加大鼓曲变形。
因此，K节点位移主要受施工因素影响，其次为加工因素，再次为设计因素。
从上述分析结果可以看出，角钢塔曲臂K节点变形是无法彻底避免的客观现象，只能通过采取控制措施减小变形的不利影响。通过有针对性的研究发现，除适当提高铁塔加工精度减小初始变形外，还建议在设计和施工中采取以下措施控制K节点的变形。
3.1 设计措施
1)由于酒杯塔中横担和边横担垂直荷载引起的K节点变形具有相互抵消的效果，因此在走廊条件允许的情况下，优先采用受力性能更好的酒杯塔。
2)GB 50017—2017《钢结构设计规范》[6]要求压杆初弯曲不能超过杆长的1/1000，GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空输电线路施工及验收规范》[7]中规定铁塔组立后，各相邻主材节点间弯曲度不得超过1/750。这是因为轴心受力杆件的初弯曲会引起P-Δ效应，严重降低压杆的极限承载力；
但K节点是一个节点，它的横向位移并不等同于轴心受力杆件的初弯曲，因此不会引起P-Δ效应，也就不会降低压杆的极限承载力[4]。猫头塔外曲臂主材一般长度不大，以往多采用通长杆件，在工程实践中有的质检单位会采用各相邻主材节点间弯曲度不得超过1/750的标准来判断，对工程的验收造成了一定的困难。因此，曲臂K节点外主材不宜采用通长杆件，建议开断处理，回避前述验收规定。
此外，曲臂K节点外主材不宜设计为直线，建议采用折线设计，降低K节点变形后的视觉误差效果。
曲臂K节点外主材常见处理方式及推荐方案见表4。
表4 曲臂K节点外主材方案对比
3)K节点处内外曲臂主材夹角不宜太小，建议不小于18°，以确保K节点处具有良好的刚度，如图12所示。
图12 K节点处内外曲臂主材夹角控制
4)K节点发生位移难免会对节点附近的杆件产生附加应力，建议对上下曲臂主材和正侧面节点板加大一级。
3.2 施工措施
1)施工单位在塔头组装时，应严格按照设计要求在边横担内侧节点及曲臂K节点设置对拉钢绳，对曲臂和横担的下坠进行纠正，控制组塔期间的变形，如图13所示。
图13 施工孔及拉线布置
2)架线完成后应复核K节点变形情况，变形较大时，应先松开K节点(B1、B2)及边横担内侧节点(A1、A2)连接螺栓，通过对拉钢绳调整到设计值后再紧固螺栓，如图14所示。
图14 对拉施工孔
3.3 试组装及工程检验
在后续云南某新建500 kV交流输电线路工程中，对猫头塔采取了以下控制措施：
1)曲臂K节点外主材设计为折线，并进行开断；
2)上曲臂内主材与外主材夹角按25°设计，下曲臂内主材与外主材夹角按23°设计；
3)上下曲臂主材和正侧面节点板规格见表5；
表5 曲臂主材和节点板规格
4)在K节点及边横担内侧节点设置左右对拉施工孔，在铁塔组立过程中设置对拉钢绳，控制曲臂和横担的下坠以及K节点的变形。
对采取了上述控制措施的猫头塔在塔厂进行了立式试装，如图15所示。然后进行了现场实测验证，实测数据如表6所示。
图15 猫头塔立式试组装现场
表6 K节点位移实测数据
实测数据表明，K节点位移值在0～1 mm之间，肉眼基本无法看出明显的变形，试验塔满足验收要求。
上面以某500 kV交流输电线路工程猫头塔曲臂K节点变形统计情况为基础，从设计、加工、施工三方面对曲臂K节点变形进行深入分析后认为，角钢塔曲臂K节点变形是一种正常的力学现象，是受力的必然反映，不能彻底避免，且受加工精度和施工方法影响较大。在设计和施工中建议采取以下措施控制K节点的变形：
1)在走廊条件允许的情况下，优先采用受力性能更好的酒杯塔；
2)曲臂K节点外主材不宜采用通长杆件，建议开断处理；
3)K节点处内外曲臂主材夹角不宜太小，建议不小于18°；
4)在受力计算结果的基础上，对上下曲臂主材和正侧面节点板加大一级；
5)塔头组装时，在边横担内侧节点及曲臂K节点设置对拉钢绳，对曲臂和横担的下坠进行纠正，控制组塔期间的变形；
6)架线完成后应复核K节点变形情况，变形较大时，通过对拉钢绳调整到设计值后再紧固螺栓。
塔头立式组装和工程实践结果表明，采取了所设计的构造措施并规范施工工艺后，曲臂K节点在组塔阶段的变形值接近0，架线后也无明显变形，控制措施效果显著，值得在今后的铁塔设计、施工中借鉴采用。
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