山地区域输电塔位由于受线路路径和地形地貌的限制, 经常会出现塔腿正面 (或侧面) 连线与山体坡度成一定角度, 造成塔腿级差过大, 从而需要进行大面积开方甚至导致塔位不成立^[1]。因此, 目前山区输电线路工程遇到地形陡峭、塔位受限制地形时, 大多数情况下采取避让或者改线的办法, 这往往导致整条输电线路路径长度增加, 耐张比例增加, 曲折系数变大, 工程投资增多^[2]。因此, 对提高铁塔适应陡峭地形能力的研究, 尤其是针对个别塔位受限制、影响整个路径方案的关键杆塔技术研究, 就显得尤为重要和急迫^[3]。

　　 在保持塔头布置角度不变的情况下, 通过在塔头与塔身连接处或塔身其他部位设置一个转换层, 塔身可以相对塔头进行旋转, 塔身相对塔头旋转一定的角度, 使得塔腿正面连线与山体坡度平行 (或垂直) , 从而适应塔位地形条件, 减小塔腿级差, 使个别受限制塔位立塔成为可能, 从而使整条线路路径方案成立^[3,4,5,6,7]。由于旋转塔实际结构受力和传力与力学计算模型有一定的差异^[8], 加之转换层节点构造的复杂性, 使得旋转塔结构的转换层试验、接点试验、真型试验验证显得十分重要。本研究设计制作了一个比例为1∶1的足尺直线旋转角钢塔转换层节点试件, 并对其进行了静力加载破坏全过程试验, 获取其变形及应变在荷载作用下的变化规律, 研究直线旋转塔转换层的承载能力和受力机理。

　　 本次试验设计了1个1∶1足尺直线旋转角钢塔转换层节点试件XZT, 如图1所示。旋转角钢塔转换层节点试件分为3段, 第一段为塔身段 (塔腿) , 第二段为转换层节点, 第三段为塔头下曲臂, 塔头下曲臂上连接有传力横担, 通过转换层将塔头 (横担) 与塔身成45°方向布置。

　　 直线旋转塔转换层节点试件总高4.9m, 其中第一段塔身段节点高度为1m, 第二段转换层段节点高度为1.3m, 第三段塔头下曲臂高度为2m, 横担高度为0.6m, 塔腿底座最大长度为2m, 横担长度为4.3m, 如图2所示。

　　 直线旋转塔转换层节点试件由角钢和节点板通过螺栓现场拼接而成, 主要受力构件采用Q345钢材, 部分支撑构件采用Q235钢材, 连接螺栓为6.8级普通螺栓。

　　 根据《金属材料室温拉伸试验方法》 (GB/T 228. 1—2010) ^[9]、《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》 (GB/T 2975—1998) ^[10]的有关规定, 取样进行了钢材的力学性能试验, 每组3个试样, 共计7组, 取样杆件编号如图3所示, 杆件截面尺寸见表1, 钢材性能见表2。

　　 本次试验在西安建筑科技大学教育部结构与抗震重点实验室进行, 试验加载装置如图4所示。试件通过地梁、压梁等装置固定在地面上, 加载装置采用MTS电液伺服作动器。根据相关要求, 本试验加载分为预加载和正式加载两个阶段。预加载阶段采用荷载增量控制, 将作动器加载至2kN, 持荷2min, 检查各仪表是否正常工作, 并使试件各部分、试件与装置之间接触良好, 进入正常工作状态, 荷载与变形关系趋于稳定。

　　 正式加载阶段, 采用力和位移联合控制加载, 在荷载控制阶段前期荷载按设计荷载的50%, 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 100%等级加载, 后期按每级5kN分级加载至50kN, 每级加载后持荷2min。分级加载至50kN时, 试件位移Δ_s=30mm;此后进入位移控制加载阶段, 按每级增加0.5Δ_s=15mm加载, 直至承载力下降至峰值承载力的0.85倍。每级加载后持荷2min, 使变形趋于稳定, 观察试验现象。

　　 根据有限元模拟情况, 并考虑一定的量程储备, 选择位移计量程。在3根地梁纵向分别布置一个±25mm位移计, 监测地梁滑移;在长地梁端部横向布置一个±25mm位移计, 监测地梁扭转;在试件底板处布置一个±25mm位移计, 监测试件与地梁的滑移;在转换层下部布置一个±50mm位移计, 上部布置两个±100mm位移计, 监测转换层水平位移;横担上部布置磁滞伸缩位移传感器, 监测横担水平位移, 同时作为加载控制指标。试件位移计测点布置如图5 (a) 所示。

　　 试件应变采用电阻应变计测量。为得到试件在加载过程中应力应变的发展和分布情况, 根据各受力构件的受力特点, 在试件转换层及上下构件上布置单向电阻应变计。试件电阻应变计布置见图5 (b) 。

　　 预加载阶段, 试件一切正常。由荷载控制加载进度, 当加载到25kN (设计荷载) 时, 试件无明显变化, 构件正常, 见图6 (a) 。位移控制加载进度阶段, 初始位移Δ_s=30mm;当加载至Δ_s=90mm时, 旋转塔横担整体变形明显, 见图6 (b) ;当加载至Δ_s=195mm时, 可观察到转换层上部水平杆件发生明显整体屈曲, 见图6 (c) ;当加载至Δ_s=210mm时, 试件发出轻微声响且其横担整体变形进一步加大;当加载至Δ_s=240mm时, 由于旋转塔横担整体变形过大, 此时试件发出明显声响。当试验结束即加载至Δ_s=265mm时, 试件发出巨响, 螺栓断裂, 试件节点破坏, 加载结束。图6 (d) , (e) 为二层节点板处螺栓受力过大而被拉断。此外, 试件转换层内部杆件可观察到明显的整体屈曲, 见图6 (f) 。

　　 图7 (a) ～ (c) 分别为试件XZT的一层、二层及顶层荷载-位移曲线, 试件极限承载力为412.38kN, 顶层最大位移为247.8mm。由图可见, 荷载-位移曲线在加载前期均近似于直线 (ab段) , 说明试件在加载前期一直处于弹性状态, 并在到达极限承载力 (b点) 之后出现卸载段 (bc段) ;一层、二层及顶层荷载-位移曲线变化趋势一致, 说明试件变形协调, 各部分刚度匹配较好。

　　 图8 (a) , (b) 为试件XZT转换层长杆和转换层短杆的荷载-应变曲线。由图8 (a) 可以看到, 曲线存在些许误差, 但总体曲线在误差范围内呈线性增长, 转换层长杆在荷载作用下最大应变在250以内, 杆件处于弹性状态。如图8 (b) 所示, 转换层短杆最大应变值达到了1 600, 接近屈服 (由钢材牌号计算得出屈服应变值为1 800) , 但杆件仍处于弹性状态。图9 (a) 与图9 (b) 分别为转换层下部水平杆与转换层上部水平杆的荷载-应变曲线。从图中可看出, ab段在误差允许的范围内呈线性变化, 因此两杆在加载前期处于弹性范围内;但到b点后曲线进入bc段, 曲线的斜率发生明显变化, 说明杆件进入弹塑性阶段。图10 (a) , (b) 为试件XZT塔头下曲臂长杆及短杆的荷载-应变曲线。如图10 (a) 所示, 随着荷载的增大, 各测点的弹性变形逐渐增长, 其增长趋势为正增长, 能够看出其承受拉应力, 为拉杆, 且处于弹性状态。而图10 (b) 中, 增长趋势为负增长, 杆承受压应力, 为压杆, 且处于弹性状态。图11为试件XZT转换层间支撑荷载-应变曲线, 从图中可以看到, 在荷载加到最大时, 应变值在200以内, 故在加载过程中转换层间支撑始终处于弹性状态。

　　 (1) 直线旋转塔转换层节点试件屈服荷载为376.07kN, 试验极限承载力为412.38kN。在1.1倍设计荷载下出现最终破坏, 试件具有较高的安全储备, 承载性能符合设计要求。同时, 有限元计算极限承载力为443.21kN, 结果表明有限元计算结果与试验结果符合较好, 数值方法可较好地模拟试验, 分析结果有助于指导设计。

　　 (2) 试件最终破坏形式为连接节点螺栓的断裂破坏。由于结构采用直线形旋转, 90°方向出现了转换层与其上侧结构层体型的明显变化, 导致应力过于集中, 刚度较大的空间异形节点板形成支点和翘板, 使螺栓翘力过大, 导致螺栓发生以受拉为主的断裂破坏。从试验现象观察到, 破坏位置节点板与角钢明显可见分离荷载为312kN, 设计时应予以注意。

　　 (3) 为了避免结构发生转换层与上侧结构层连接位置的破坏, 建议在直线旋转塔转换层上侧增加螺栓数量。

　　 (4) 设计荷载情况下结构整体刚度满足相关规范要求, 极限荷载情况下结构变形能力强, 延性好, 且转换层部位刚度与试件整体刚度匹配较好, 协同工作性能好。