摘要
输电塔多采用螺栓连接，结构体系柔性强、对风荷载十分敏感，台风中输电塔承受交替的轴向力、横向力以及倾覆力矩等，复杂受力状态下节点螺栓处于振动状态，螺栓发生松动后一般不能及时发现，容易出现螺栓预紧力损失、螺杆疲劳损伤和极限恶劣条件下螺栓脱落、螺杆断裂引起杆件失效的倒塔事故。目前针对输电塔螺栓松动的研究主要是考虑节点的半刚性，但是对输电塔整体结构而言，不同位置、数量螺栓松动后节点刚度非线性变化对整体结构的影响研究还不充分。因此，有必要对输电塔节点螺栓松动及对输电塔性能影响进行深入研究，本文的研究内容主要有以下几个方面： 开展螺栓节点的理论力学模型研究，研究在输电塔结构中螺栓节点的力学模型和仿真模拟方法。通过对于典型的K型节点的转动刚度分析，发现双螺栓节点的转动刚度受预紧力和螺栓横向抗剪强度双重影响，当预紧力为零时螺栓的横向抗剪仍能抵抗一定的节点转动。结合有限元分析，也进一步验证在预紧力较大时，松动不同数量的螺栓对于节点转动刚度的降低影响相差不大；当预紧力较小时，松动不同数量的螺栓对节点转动刚度的影响显著。 开展螺栓松动对输电塔结构动力特性的影响规律研究，研究了输电塔不同位置螺栓松动后结构自振频率的变化规律。通过对11BB-ZYT角钢输电塔足尺模型进行实测，得到结构的频率、振型数据，对比不同位置螺栓松动后结构自振频率的变化。根据节点转动刚度受预紧力和螺栓横向抗剪双重影响的特点，在ANSYS有限元软件中建立输电塔有限元模型，采用Combin39弹簧单元模拟螺栓节点等效转动刚度。通过测试数据对比及有限元计算得出：输电塔1处主斜材节点螺栓松动后第3阶扭转自振频率降低约2%～5%，前2阶频率基本不变；其他位置螺栓松动后前3阶频率变化不大，说明输电塔前3阶频率降低主要受塔身主斜材螺栓动影响。 开展螺栓松动对输电塔结构抗风能力的影响研究，研究了输电塔不同位置和数量的螺栓松动后输电塔塔顶最大位移和塔腿最大应力的变化规律。通过ZMG31猫头型角钢输电塔有限元模型的频率变化发现：输电塔多处主斜材节点螺栓松动第3阶自振频率降低可达到42%，这与现场测试中螺栓松动导致结构高阶频率降低的规律一致。风攻角不变时松动塔腿辅材螺栓最大应力增大，90°风攻角最大应力由269MPa增大到278MPa。风攻角增大时塔顶最大位移也增大，塔顶最大位移可达到原来的125%，塔腿最大应力也从226MPa增大到310MPa，塔腿材料发生屈服破坏，因此需要重点关注塔腿位置的应力。
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