输电角钢塔结构中角钢-节点板连接节点半刚性检测方法与流程

本发明涉及结构设计分析技术领域，具体来说，涉及一种输电角钢塔结构中角钢-节点板连接节点半刚性检测方法。

背景技术：

国内外对于半刚性连接性能的研究主要集中在钢框架结构和网壳结构中，也有部分关于钢桁架结构的研究成果，针对输电塔结构半刚性连接节点性能及设计方法的研究在国内外尚属空白。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种输电角钢塔结构中角钢-节点板连接节点半刚性检测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种输电角钢塔结构中角钢-节点板连接节点半刚性检测方法，包括以下步骤：

s10、安装角钢至节点板上，得到测量件，测量件为多组并对其进行编号，其中角钢及节点板钢材为q420钢，螺栓为m20的8.8级或10.9级高强螺栓；

s20、安装测量件至测试装置上，确定测量方案；

s30、通过测试装置向测试件进行加压测试，得到角钢剪切域的转角、节点域的转角数据；

s40、对每个角钢进行拉伸试验，得到极限拉应力、弹性模量、屈服应力和屈服应变，其中角钢的试验件取样位置取在距肢宽三分之一位置，且方向沿角钢纵向；

s50、测量节点板的承载力，角钢的局部剪切转角和节点的弯矩承载力；

s60、分析角钢-节点板的测试结构。

优选的，步骤s10中角钢通过多个均布设置的螺栓与节点板连接，且该多个螺钉形成螺栓群。

优选的，所述测试装置包括第一安装平台和第二安装平台，所述第一安装平台与所述第二安装平台平行设置，所述第一安装平台上设有4个百分表、两个位移计和用于安装工件的反力架，4个所述百分表对应测试件的角钢设置，2个位移计位于所述节点板的两端；所述第二安装平台上设有第一千斤顶和第二千斤顶，所述第一千斤顶和第二千斤顶的一端与所述第二安装平台铰接，所述第一千斤顶和第二千斤顶的另一端朝向所述第一安装平台设置，所述第一千斤顶的伸出端与测试件的角钢连接，所述伸出端上设有第一圆环，所述第二千斤顶的伸出端通过连接件与测试件的角钢连接，所述连接件的一端与所述第二千斤顶的伸出端铰接，另一端与测试件的角钢连接，所述连接件上设有第二圆环，所述第一圆环和第二圆环上均设有压力传感器。

优选的，步骤s30中的测试结果还包括角钢受剪切肢在y向的位移数据以及节点板在x向的位移数据。

优选的，步骤s40中角钢的数据计算步骤如下：

s401、设螺栓群形心为节点的转动中心，该角钢的剪切转角θs的计算公式为：

其中，δ1～δ4为百分表和位移计测量结果换算后的位移，均取绝对值。l为螺栓群最外列两个螺栓的间距；

s402、将节点板上测点在x向的水平位移位移转化为转角，其节点转角θ的计算公式如下：

θ＝d/r

d＝δsinθ1

θ为节点总的转角，ec为测点位置相对于转动中心的偏心距，wj为节点板宽度1/2，δ5和δ6为测试装置所测得的x向位移，均取绝对值。

本发明的有益效果是：

1)在加载初期，节点处于弹性状态，节点呈整体转动状态，节点板沿弯矩方向转动，主角钢节点域沿弯矩方向有剪切变形，和占节点总转角的比例基本相当；随着荷载的增大，主角钢和节点板的螺孔因挤压而产生变形，同时螺栓也因剪切力产生较大的剪切变形，螺孔和螺栓逐渐进入塑性变形状态，此时在整个节点转动中所占比例略有提高。

2)当节点即将发生破坏时，主角钢和节点板上的螺栓孔都出现了较大的挤压变形，部分螺孔已成椭圆形，螺栓也产生明显的剪切变形，弯矩-转角曲线刚度较加载初期有所降低。节点以螺栓被剪断或出现明显剪切变形而达到极限抗弯承载力。因此螺栓等级对节点抗弯承载力有较大的影响，另一方面，等级高的高强螺栓对节点进入塑性状态后的弯矩-转角曲线刚度有一定的提高。

3)增大主角钢厚度或节点板厚度可以提高节点的初始转动刚度。由于试件最终因螺栓被剪断而破坏，因此主角钢和节点板厚度的变化对节点抗弯承载力影响较小。

4)采用同等级高强螺栓时，同样分布范围内，螺栓个数对节点极限承载力有一定的提高。

附图说明

图1是本发明所述的输电角钢塔结构中角钢-节点板连接节点半刚性检测方法的实施例的测试装置的整体结构示意图；

图2-图31为实施例6的示意图；

附图标记说明：

1、2、3、4、百分表；5、6、位移计；7、第一安装平台；8、第二安装平台；9、反力架；10、第一千斤顶；11、第二千斤顶；12、角钢；13、节点板；14、第一圆环；15、第二圆环；16、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1：

一种输电角钢塔结构中角钢-节点板连接节点半刚性检测方法，包括以下步骤：

s10、安装角钢至节点板上，得到测量件，测量件为多组并对其进行编号，其中角钢及节点板钢材为q420钢，螺栓为m20的8.8级或10.9级高强螺栓；

s20、安装测量件至测试装置上，确定测量方案；

s30、通过测试装置向测试件进行加压测试，得到角钢剪切域的转角、节点域的转角数据；

s40、对每个角钢进行拉伸试验，得到极限拉应力、弹性模量、屈服应力和屈服应变，其中角钢的试验件取样位置取在距肢宽三分之一位置，且方向沿角钢纵向；

s50、测量节点板的承载力，角钢的局部剪切转角和节点的弯矩承载力；

s60、分析角钢-节点板的测试结构。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，步骤s10中角钢通过多个均布设置的螺栓与节点板连接，且该多个螺钉形成螺栓群。

实施例3：

如图1所示，本实施例在实施例1或2的基础上，所述测试装置包括第一安装平台和第二安装平台，所述第一安装平台与所述第二安装平台平行设置，所述第一安装平台上设有4个百分表、两个位移计和用于安装工件的反力架，4个所述百分表对应测试件的角钢设置，2个位移计位于所述节点板的两端；所述第二安装平台上设有第一千斤顶和第二千斤顶，所述第一千斤顶和第二千斤顶的一端与所述第二安装平台铰接，所述第一千斤顶和第二千斤顶的另一端朝向所述第一安装平台设置，所述第一千斤顶的伸出端与测试件的角钢连接，所述伸出端上设有第一圆环，所述第二千斤顶的伸出端通过连接件与测试件的角钢连接，所述连接件的一端与所述第二千斤顶的伸出端铰接，另一端与测试件的角钢连接，所述连接件上设有第二圆环，所述第一圆环和第二圆环上均设有压力传感器。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上，步骤s30中的测试结果还包括角钢受剪切肢在y向的位移数据以及节点板在x向的位移数据。

实施例5：

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，步骤s40中角钢的数据计算步骤如下：

s401、设螺栓群形心为节点的转动中心，该角钢的剪切转角θs的计算公式为：

其中，δ1～δ4为百分表和位移计测量结果换算后的位移，均取绝对值。l为螺栓群最外列两个螺栓的间距；

s402、将节点板上测点在x向的水平位移位移转化为转角，其节点转角θ的计算公式如下：

θ＝d/r

d＝δsinθ1

θ为节点总的转角，ec为测点位置相对于转动中心的偏心距，wj为节点板宽度1/2，δ5和δ6为测试装置所测得的x向位移，均取绝对值。

实施例6：

试验研究对象为角钢-节点板连接节点的承载力性能。试验共5个试件，角钢及节点板钢材为q420钢，螺栓为m20的8.8级或10.9级高强螺栓。考察主材肢厚、节点板厚、螺栓个数、螺栓间距、偏心距对节点半刚性的影响。试件编号、试件的理论尺寸和实测尺寸见表格1和表格2。

图2中ljg为主角钢长度，取两肢及其相交线共三个边长长度的平均值；wjg为主角钢肢宽，取其两肢宽度的平均值；tjg为主角钢厚度，取两肢厚度的平均值；节点板三个方向的尺寸也分别取各方向尺寸的平均值。

表格1

表格2

注：试件编号中“k”为节点类型号，其后的数字为试验构件的具体编号；“ljg”为主角钢长度；“b”为主角钢肢宽；“t”为主角钢厚度；“ajb”为节点板沿主角钢长度方向的尺寸；“bjb”为节点板垂直主角钢长度方向的尺寸；“tj”为节点板厚度。

试验装置应满足构件在实际工程中的端部约束条件。试验装置示意图如图1所示。图1中的百分表用来测量主角钢剪切域的转角；位移计用来测量整个节点域的转角。试验时两个千斤顶同步加载，一拉一压。

在实际角钢塔结构中，角钢通常采用单肢连接方式，因此试验节点中加载千斤顶力作用线通过角钢与节点板接触肢的截面形心c1，两肢角钢均为偏心受拉或受压，如图2所示。两肢角钢端部及千斤顶加载端均设有端板，以方便准确传力。受拉肢千斤顶两端均为铰接。为防止受压肢千斤顶在受压过程中失稳，将受压肢千斤顶传感器旋入与端板焊接的定制圆环内，如图1所示。千斤顶另一端铰接在试验架上如图1所示。

施加压力，两个千斤顶逐级同步等值加载。由于加载线的交点有一定的偏心，整个节点处于弯矩作用下，并沿弯矩方向产生转动。

当斜材较长时，斜材和节点板连接处可能同时存在轴力和弯矩，且影响因素很复杂，不便于确定节点域弯矩。因此，试验中将斜材长度设计的很短，在理论分析时近似忽略腹杆上的弯矩效应，仅考虑斜材轴力的影响，重点考察由角钢、螺栓和孔壁引起的节点半刚性。试验中，节点的两个肢角钢分别受压力和拉力作用，经节点板和螺栓传递到主角钢上，主角钢在节点域承受由肢角钢传来的竖向力和弯矩。节点等效受力模型如图3所示。

测试时一般在0～50％极限荷载时，节点以弹性变形为主，每级加载后持荷3分钟，当实测位移稳定后再进行下一级加载。之后节点局部逐渐进入塑性状态，当达到极限荷载的80％时，每加一级加载后便持荷5～10分钟，以便让节点的塑性充分发展。逐级加载至试件破坏无法加载为止，试验的详细加载方案如图4所示。

根据gb/t2975-1998《钢及钢产品力学性能实验取样位置及试验试验制备》相关规定：角钢的拉伸试验件取样位置取在距肢宽三分之一位置，且方向沿角钢纵向。时间的具体尺寸及拉伸试验件样本见下图5和图6，材性试验结果见表3。

表3

注：屈服强度按《金属材料室温拉伸试验方法》(gb/t228-2002)规定方法确定

屈服应变为tnstron1342依据屈服强度计算的参考值。

试验测量内容包括：角钢在节点域的转角和整个节点的转角。所测位移应扣除螺栓滑移的影响。

试验在相关测点布置百分表和位移计，如图7所示。由于节点域处的主角钢的转动主要由受剪肢的剪切变形引起，试验时在角钢受剪肢外侧布置4个百分表用于测量角钢在节点域的转角。由前期的计算分析可知，主角钢的剪切变形集中在螺孔群分布范围，又以两侧最外列螺孔位置受剪肢的剪切变形最大，故将其中两个百分表对称布置在图示左侧外列螺孔的两测，间距100mm；另外两个百分表对称布置在图示右侧外列螺孔的两侧，间距100mm。位移计分别布置在节点板左右两侧，距上端螺栓心线间距为210mm(偏心距e＝200mm时)或160mm(偏心距e＝100mm时)，用来测量整个节点的转角。各百分表和位移计的标定见表4。

表4

百分表测量的角钢受剪切肢在y向的位移，位移计测量的是节点板在x向的位移。假设螺栓群形心为节点的转动中心，按照如下方式将位移换算为转角。

1)主角钢的剪切转角θs

其中，δ1～δ4为百分表和位移计测量结果换算后的位移，均取绝对值。l为螺栓群最外列两个螺栓的间距。

2)节点转角θ

由于位移计所测得的是节点板上测点在x向的水平位移，需要将位移转化为转角。节点转角计算方法见图8及式下方公式。

θ＝d/r

d＝δsinθ1

θ为节点总的转角，ec为测点位置相对于转动中心的偏心距，wj为节点板宽度1/2。δ5和δ6为位移计所测得的x向位移，均取绝对值。

节点转角主要包括两部分：主角钢剪切变形引起的转角(剪切转角)和由节点板和主角钢之间的相对变形引起的转角(缝隙转角)。前者主要是由主角钢受剪切变形引起的，如图9；后者主要是由螺栓受剪切变形和螺孔的挤压变形引起的，如图10。则节点转动，试验可直接测得节点的和关系，前者扣除后者即得关系。根据节点和主角钢的弯矩-转角曲线可以得到节点的初始转动刚度kijd和主角钢的初始转动刚度kijg。所谓初始转动刚度，即弯矩-转角曲线在原点的一阶导数。

k1节点：主角钢∟160×10，节点板厚度10mm，8.8级高强螺栓，间距100mm的螺栓共4颗，偏心距200mm。整个节点的转动由主角钢在节点域的剪切变形转动和节点板相对于主角钢的转动共同组成。根据节点各阶段变形图可知，在加载初期，节点处于弹性状态，节点板沿弯矩方向转动，主角钢节点域沿弯矩方向有剪切变形，和占节点总转角的比例基本相当，节点呈整体转动状态，如图11所示。随着荷载的增大，主角钢和节点板的螺孔因挤压而产生变形，同时螺栓也因剪切力产生较大的剪切变形，螺孔和螺栓逐渐进入塑性变形状态，此时在整个节点转动中所占比例略有提高，如图12所示。

当节点即将发生破坏时，主角钢和节点板上的螺栓孔都出现了较大的挤压变形，部分螺孔已成椭圆形，螺栓也产生明显的剪切变形，弯矩-转角曲线刚度较加载初期有所降低。最终螺栓突然被剪断飞出，节点破坏，节点破坏图见图13-17所示。

k1节点测点数据和弯矩-转角曲线如图18和19所示。图18分别为百分表和位移计所测位移的平均值。图19分别为主角钢在节点域的弯矩-转角曲线以及整个节点的弯矩-转角曲线。k1节点极限弯矩为74kn·m。在节点加载初期，约占节点整体转动的47.8％，在节点加载后期，约占节点整体转动的43.2％。节点的初始转动刚度约为3331kn·m/rad，角钢的初始转动刚度约为7401kn·m/rad。

k2节点：采用主角钢∟160×12，节点板厚度10mm，10.9级高强螺栓，间距100mm的螺栓共4颗，偏心距200mm。k2节点加载后变形。测点数据、主角钢在节点域的弯矩-转角曲线以及整个节点的弯矩-转角曲线如图20和图21所示。

k2节点弯矩加载到94kn·m。螺栓出现明显的剪切变形。在节点加载初期，约占节点整体转动的40.2％，在节点加载后期，约占节点整体转动的39.9％，在转动组成中所占比例较稳定。节点的初始转动刚度约为3302kn·m/rad，角钢的初始转动刚度约为8440kn·m/rad。

k3节点：采用主角钢∟160×10，节点板厚度12mm，10.9级高强螺栓，间距100mm的螺栓共4颗，偏心距200mm。k3节点加载变形后，测点数据、主角钢在节点域的弯矩-转角曲线以及整个节点的弯矩-转角曲线如图22和图23所示。

k3节点弯矩加载到90kn·m。螺栓出现明显的剪切变形。在节点加载初期，约占节点整体转动的43.8％，在加载中期，约占节点整体转动的40.9％，在节点加载后期，约占节点整体转动的54.8％，在转动组成中所占比例有一定的波动。节点的初始转动刚度约为3378kn·m/rad，角钢的初始转动刚度约为7264kn·m/rad。

k4节点：采用主角钢∟160×10，节点板厚度10mm，8.8级高强螺栓，间距75mm的螺栓共5颗，偏心距200mm。k4节点加载变形后，测点数据、主角钢在节点域的弯矩-转角曲线以及整个节点的弯矩-转角曲线如图24和图25所示。

k4节点弯矩加载到80kn·m。螺栓全部剪断。在节点加载初期和中期，约占节点整体转动的41.5％，在节点加载后期，约占节点整体转动的51％，在转动组成中所占比例程有一定波动。节点的初始转动刚度约为3115kn·m/rad，角钢的初始转动刚度约为7283kn·m/rad。

k5节点：采用主角钢∟160×10，节点板厚度10mm，10.9级高强螺栓，间距100mm的螺栓共4颗，偏心距100mm。k5节点加载变形图如。测点数据、主角钢在节点域的弯矩-转角曲线以及整个节点的弯矩-转角曲线如图26和图27所示。

k5节点弯矩加载到90kn·m。螺栓程现明显剪切变形。在节点加载初期和中期，约占节点整体转动的48％，比较稳定。在节点加载后期，所占比例逐渐减小，峰值弯矩时约占节点整体转动的39.3％。节点的初始转动刚度约为3136kn·m/rad，角钢的初始转动刚度约为7383kn·m/rad。

图28-图31是各节点曲线的汇总。对比可知，在弹性阶段，转角随着弯矩的增加呈线性增长。继续增大弯矩，由于主角钢和节点板的螺孔出现挤压塑性变形，螺栓在因受剪切而出现塑性变形，引起曲线刚度有一定下降。由于节点最终以螺栓被剪断或出现较大剪切变形而达到极限荷载，因此螺栓等级对节点抗弯承载力有较大的影响，另一方面，等级高的高强螺栓对节点进入塑性状态后的弯矩-转角曲线刚度有一定的影响。以节点k1和k2为例：k2(采用10.9级高强螺栓)比k1(采用8.8级高强螺栓)承载力高出27％，两个节点进入塑性阶段后，k2的曲线刚度较大，如图31所示。

而主角钢和节点板厚度对节点的承载力对弯矩承载力影响不大，但对弯矩-转角曲线的初始刚度有一定的影响，进而影响弯矩-转角曲线的走势。以k2和k5为例，两者的极限承载力基本相同，但k2的初始刚度比k5稍大，是因为k2的主角钢肢厚稍厚引起的。

采用同等级高强螺栓时，同样分布范围内，螺栓个数对节点极限承载力有一定的影响。以k1和k4为例，在300mm的分布范围内，k1布置4颗螺栓而k4有5颗，k4的承载力比k1高出8.1％。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。