沿海热带气旋灾害具有发生次数多、强度大、影响范围广、突发性强和损失巨大等显著特点 ^[1],我国是世界上台风最集中的地区之一,尤其是在广东、海南、台湾、福建等地区 ^[2]。风灾是威胁沿海地区角钢输电塔正常使用的重要因素。对于早期设计的电塔,由于其运行时间较长,承载力有所下降,加上最大设计风速偏低及未考虑风压高度变化系数等因素的影响,在大风作用下容易发生倒塌事故 ^[3],对输电塔进行加固补强是防止倒塌的有效措施。对于输电塔的塔腿主材的加固补强主要采用构件并联法,国内不少学者在这方面已进行了相关的研究。国内李振宝 ^[4]、周文涛 ^[5]等提出了使用连接板形成十字形角钢的构件并联法对输电塔主材进行加固,刘学武等 ^[6]提出了三种不同加固截面的构件并联法。国外的Temple M C ^[7,8]、Tongkasame C ^[9]等研究了不同连接方式加固试件的破坏形态以及传力效率。MillS J E等 ^[10]对加固和未加固的整塔模型进行了试验,研究了承载力提高的效果。这些研究得到了一些重要的结论,为本文的研究提供了重要的参考依据。

　　 已有的研究中所提出的构件并联法需要在主材上打孔,这给施工带来很大的不便,大大增加了施工的难度,降低施工的速度。针对这些不足,本文依托广东省湛江地区保底电网输电线路项目,提出在原输电塔塔腿角钢主材上使用夹具并联新角钢副主材形成双角钢十字组合截面的新型加固方式,并通过试验研究,确定影响加固效果的因素,为以后角钢输电塔的加固和补强提供建议。

　　 本试验模拟的加固部位为塔腿,采用夹具加固的方式,即通过夹具和填板将副主材并联在主材上形成十字组合截面对主材进行加固。本试验中主材选用强度为Q345的∟140×12等边角钢,副主材强度和规格均与主材相同,夹具采用强度为Q345的∟180×12等边角钢,十字填板厚度为10mm,材质为Q345,螺栓采用摩擦型8.8级高强螺栓M20。

　　 试验包含一组未加固的角钢试件S1,三组加固后的角钢试件(试件组S2,S3,S4),每组试件包含三根试件,每根试件分别以a,b,c区分,其中每组的a,b试件为参数相同的两根试件。所有试件均为双节间试件(每个节间长1 500mm),在试件的中间处设置横向支撑。试件夹具布置的位置为单节间的1/3,2/3处或单节间的1/2处。试验过程中试件下端用节点板和螺栓与反力墙固定,千斤顶通过上端加载板作用于主材形心处。为考察加固时最好和最坏的情况,设计了副主材与加载板连接与断开两种试件。试件组S2,S3各个试件主材伸出2cm与加载板相连,副主材不与加载板相连。为研究副主材通顶对试件受力性能的影响及加固后承载力提高的限制,试件组S4各个试件均与加载板相连。为研究螺栓预紧力对加固效果的影响,每组试件中编号为c的试件螺栓预紧力加大为编号a,b的2倍。典型加固试件见图1。

　　 应变片的设置主要是用来准确测量每个夹具或填板的传力大小。每层应变片数量为8片,每个角钢上布置4片,分别位于角钢翼缘的1/3处和2/3处。应变片位置见图2。

　　 为方便描述,定义从加载端沿试件轴线向下,夹具名称依次为夹具一、夹具二、……、夹具n。由于试件初始变形、加工残余应力等因素的影响,同一组试件的破坏形态个别有些许差异,但总体上破坏形态还是比较一致。试件S1为单根角钢,其破坏形态为平面内的整体弯曲。试件S2-a,S2-b,S2-c与试件S3-a,S3-b,S3-c破坏形态相似,为夹具一与夹具二或夹具二与夹具三之间的原主材的局部失稳,典型的破坏形态见图3。试件S4-a,S4-b,S4-c破坏形态以第一节间整体绕y轴的弯曲破坏为主,并伴随着夹具二与夹具三之间的原主材的局部失稳,见图4。各组试件的极限承载力试验值见表1。

　　 各组试件的荷载-加载点位移曲线见图5。由表1及图5,对比S2-c与S2-a,b、S3-c与S3-a,b可知,相对于单角钢试件,加固后试件承载力提高幅度在20%～60%左右,加固效果良好。加大螺栓预紧力能使试件的承载力提高幅度增加3%左右,增加幅度不大。对比S2-a,b与S3-a,b、S2-c与S3-c可知,增加夹具和填板个数,能使试件承载力提高幅度增加10%左右,且试件延性有所增加。对比S3-a,b与S4-a,b、S3-c与S4-c可知,将副主材连接至加载板可使承载能力提高幅度增加30%左右,因此,在实际工程中,加强主材与副主材顶部的连接,使两者能共同作用是提高构件承载力的有效措施。

　　 根据试验测得的应变结果,通过式(1)～(3)的计算便能求得主材或者副主材应变片所在截面的内力,以及副主材占截面总内力的百分比,并以此作为夹具或填板的传力效率。

　　 $\begin{array}{l}\sigma {}_{\text{s}}=\{\begin{array}{c}E{}_{\text{s}}\epsilon {}_{\text{s}}(0\le \epsilon {}_{\text{s}}<\epsilon {}_{\text{y}})\\ f{}_{\text{y}}+0.001E{}_{\text{s}}(\epsilon {}_{\text{s}}-\epsilon {}_{\text{y}})(\epsilon {}_{\text{s}}\ge \epsilon {}_{\text{y}})\end{array}(1)\\ F=\sigma {}_{\text{s}}A(2)\\ \rho =\frac{F{}_1}{F{}_1+F{}_2}\times 100\%(3)\end{array}$

　　 式中:E_s为角钢的弹性模量; ε_s为同一片角钢上四个应变片读数的平均值; ε_y为角钢的屈服应力; σ_s为主材或者副主材的截面应力平均值; F₁,F₂为主材、副主材按照式(2)计算的截面内力; ρ为传力效率。在本文中,由材性试验可以得到E_s=222.73GPa,ε_y=387.08MPa。

　　 图6为试件S3-c的传力效率随荷载变化的曲线。可见从加载端沿试件轴线越往下,夹具的传力效果越好,夹具的作用越大。

　　 为研究夹具个数、螺栓预紧力等因素对夹具传力效率的影响,取各个试件弹性阶段某个值对应的传力效率作比较,本文中取荷载为800kN对应的传力效率进行对比,如图7所示。通过图7可以看出,各个试件传力效率基本呈线性上升趋势,因此可根据加固夹具的布置和数量,大致预测实际工程中荷载传至塔腿底部时,主材与副主材各自分担的力。对比S2-a,b与S3-a,b及S2-c与S3-c的传力效率可以发现,在预紧力相同的情况下,传至最后一个夹具时,夹具数量多的试件传力效率更高,说明夹具数量对传力效率有影响。对比S2-a,b与S2-c及S3-a,b与S3-c的传力效率可以发现,螺栓预紧力增大1倍,传力效率提高约10%,说明螺栓预紧力越大,夹具传力作用越大。此外,试件组S4中各个试件的传力效率比试件组S2、试件组S3各个试件的传力效率高约20%,且试件组S4中各个试件的传力效率没有明显区别,主要原因是试件组S4中副主材的力主要通过加载板施加,由夹具传递的力占比不大。

　　 采用新型夹具加固角钢输电塔塔腿,具有不用在原主材上打孔、安装方便等优势,通过试验研究加固效果以及影响加固后试件承载力和传力效率的因素,可得到的主要结论如下:

　　 (1)加固后的不通顶的角钢试件承载力提高幅度在20%～30%左右,通顶的角钢试件承载力提高幅度在55%～70%左右。

　　 (2)加固后的不通顶的角钢试件破坏形式皆为第一节间的局部失稳,通顶的角钢试件破坏形式为弯曲破坏和局部失稳的结合。

　　 (3)夹具个数对承载力的提高有显著的效果。随着夹具个数的增加,加固试件的承载力有较大的提升。螺栓预紧力能一定程度上提高加固试件的承载力,但对不通顶试件提高程度不大,提高幅度在3%～5%左右,对通顶试件有较大的提高,提高幅度在10%左右。

　　 (4)夹具的传力效率随着夹具离加载端的距离增大而增大,且螺栓预紧力和夹具的数量对力的传递效率有影响,对于不通顶试件,随着螺栓预紧力的增大和夹具数量的增加,力的传递效率有所提高; 对于通顶试件,力的传力效率受螺栓预紧力影响不大。

　　 (5)本文通过试验的方法对影响试件受力性能的螺栓预紧力、夹具个数等因素做了研究,对夹具布置、填板厚度、填板长度等因素对试件受力性能的影响在后续应做进一步研究。

　　 基于上述结论,可以对夹具加固角钢输电塔的实际工程运用提出以下建议:

　　 (1)在对承载力提高程度要求不大的情况下,可以采用直接在需要加固主材上通过夹具并联副主材对原主材进行加固,主材与副主材顶部可不设置连接。这种加固情况可视为试验中主材通顶,副主材不通顶的情况。加固后承载力提高效果可以通过调整螺栓预紧力、夹具个数和间距等方式来调节。

　　 (2)当需要大幅度提高承载力时,加固方案的选择视需要加固的位置而定:1)当加固部位为塔腿上部时,传力长度较短,可以通过在塔腿上部通过夹具并联副主材,且加强主材与副主材顶部连接,使两者顶部牢牢连接在一起,这种加固情况可视为试验中主材、副主材都通顶的情况; 2)当加固部位为塔腿下部时,可以采用两种方式进行加固,第一种方式类似塔腿上部加固,即在塔腿下部通过夹具并联副主材且加强主材与副主材顶部连接,使两者顶部牢牢连接在一起。第二种方式为增大传力长度,即将副主材往上延伸,使得经过较长的传力长度后,作用主材的力传至塔腿下部时,已有相当大部分力已经传至副主材,此时可以认为两者共同作用了。两种加固方式承载力提高效果都可以通过调整螺栓预紧力、夹具个数和间距等方式来调节。