在传统的设计中, 通常将角钢塔的节点简化为铰接进行计算处理。实际上, 角钢塔的连接节点是介于铰接和刚接的一种半刚性节点。采用螺栓连接时, 杆件之间还将发生一定的相对滑移。

　　 汶川地震中, 不少输电线路杆塔受地震或其次生灾害影响发生破坏^[1]。在实际工程中, 超过50m高的高耸铁塔顶部通常附属有上人平台和一定数量的信号发射器, 因此铁塔顶部质量一般较大, 地震造成的鞭梢效应会使塔身上部产生大变形, 导致结构破坏^[2]。因此本文将研究节点刚度对自立式角钢塔抗震性能的影响 (侧重于研究节点刚度被削弱的情况) , 以期为工程中自立式角钢塔的节点设计提供理论依据。

　　 使用中广电广播电影电视设计研究院提供的某通信塔的基本数据建立角钢塔结构的整体模型, 角钢塔基本信息见表1。在建立刚接和半刚接模型时, 塔架的所有杆件均采用Beam188梁单元模拟;建立塔架铰接模型 (即桁梁模型) 时塔架的主柱、横杆和横隔使用Beam188梁单元进行模拟, 主斜采用Beam188梁单元进行模拟, 辅材采用Link8杆单元进行模拟。通过在ANSYS中定义Mass21单元将角钢塔平台及天线的质量均匀地施加在其所在塔段的四个角点, 质量单元设置在第8, 11, 14, 17塔段上。主柱钢材型号为Q345, 其他杆件钢材型号为Q235。钢材本构采用双线性等效强化模型, 切线模量E_t=0.02E (E为钢材弹性模量) , 泊松比为0.3。图1为塔架结构塔段、主柱及斜杆编号。

　　 半刚性节点处的弹簧单元设置如下:在主柱与斜杆的相交处设置重合节点, 在重合节点之间分别建立三个一维弹簧单元, 如图2所示。

　　 考虑节点弯曲半刚性时, 将关键选项KEYOPT (3) 分别设置为4, 5, 6, 可使三个一维弹簧单元分别控制主柱与斜杆连接处节点的X, Y和Z三个方向的转角。在使用弹簧模拟节点弯曲刚度之前, 需要耦合杆件节点的平动自由度, 即将图2 (b) 中O, A, D三点的X, Y和Z三个方向的位移耦合。

　　 考虑节点滑移半刚性时, 将关键选项KEYOPT (3) 分别设置为1, 2, 3, 可使三个一维弹簧单元分别控制主柱与斜杆连接处节点的X, Y和Z三个转角。使用弹簧模拟节点滑移刚度之前, 需要耦合杆件节点的弯曲和扭转自由度, 即将图2 (b) 中的O, A, D点的X, Y和Z三个方向的位移耦合。

　　 节点弯曲刚度的本构模型, 选用毛军朋^[3]的角钢塔K型节点受力性能试验数据;节点滑移刚度本构模型, 选用江文强^[4]试验得到的螺栓滑移应力-应变数据。以这两种本构模型为基准, 令其刚度缩放系数为1.0, 其他刚度均在原本构模型的基础上乘以一个缩放系数进行模拟, 如节点刚度为S-0.1时, 表示节点弯曲刚度为原刚度的0.1倍, 节点刚度为H-0.1, 表示节点滑移刚度为原刚度的0.1倍。节点按刚性连接计算, 将节点刚度定义为GX。

　　 引入动静比作为结构静力和动力对比的参考因子。结构的内力动静比ζ定义为结构在静力作用下杆件的内力与地震作用下杆件内力之比的绝对值;结构的位移动静比ζ_U定义为结构在静力作用下塔段位移与地震作用下塔段位移之比的绝对值。结构的动静比越小, 表示地震作用对结构的影响越明显。

　　 采用时程分析法计算塔架结构动力性能可以较好地反映角钢塔在地震作用下的力学行为。根据角钢塔模型, 在计算区段内可将其视为多自由度的振动体系, 输入结构受力与变形的关系, 根据结构的惯性力、阻尼力和恢复力的平衡关系建立运动方程式。多自由度非弹性体系的运动方程^[5]为:

　　 式中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;X (t) 为位移向量;为速度向量;为加速度向量;为地面加速度向量;t为时间。

　　 在时间增量Δt内, 可将C, K视为不变的常数矩阵, 则动力方程可以表示为增量形式, 见式 (2) , 可通过Newmark-b法求解动力方程^[6]:

　　 式中:i表示第i个时段;C_i, K_i分别为第i时段时结构的阻尼矩阵和刚度矩阵。

　　 选择El Centro波对角钢塔进行地震分析, 为了与实际情况相近, 采用三维地震作用进行时程分析。三维分别指El Centro波的X, Y, Z向三个维度。在进行地震分析时, 考虑塔架结构及其塔身的平台与天线设备的恒载作用, 结构处于Ⅱ类场地, 地震分组为第一组, 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2g, 阻尼比取0.02。在进行地震分析前, 需调整地震波的X, Y, Z向的加速度, 在考虑设防烈度为8度的罕遇地震作用下, 需将加速度峰值按400gal进行调整。图3为El Centro波在X, Y, Z向的波形图。

　　 图4及表2分别为弯曲半刚性节点结构的主柱、斜杆最大轴向应力曲线以及部分杆件的最大轴向应力。

　　 由图4及表2可得, 随着弯曲刚度的减小, 对于中下部塔段主柱和斜杆, 内力动静比先减小后增大又减小, 内力先增大后减小又增大。部分斜杆的最大应力由原本的轴压力变成了轴拉力。因此, 自立式角钢塔在地震作用下, 应当确保节点处具有合适的弯曲刚度, 在适当的时候, 可以通过控制节点的弯曲刚度来增大杆件的内力动静比, 从而降低地震作用的影响。若节点弯曲刚度过小, 可能导致地震作用时斜杆受力过大, 造成局部杆件的破坏。

　　 图5及表3分别为弯曲半刚性节点结构的X, Y, Z向最大位移曲线以及部分塔段的最大位移。由图5及表3可得, 在三维罕遇地震作用下, 节点弯曲刚度由刚接减至S-0.1时, X, Y向位移动静比呈减小趋势, 当弯曲刚度继续减小, X向位移动静比将迅速地增加;当弯曲刚度由刚接减至S-0.1时, 塔段的位移有增加的趋势, 随着节点弯曲刚度继续减小, X向位移不断减小, Y向位移先增大后减小, Z向位移缓慢地增加。

　　 图6及表4分别为滑移半刚性节点结构的主柱、斜杆最大轴向应力曲线以及部分杆件的最大轴向应力。

　　 由图6及表4可得, 随着节点滑移刚度的减小, 部分主柱和斜杆的最大轴向应力在轴向压应力和轴向拉应力之间相互变化。当滑移刚度为H-0.1时, 中下部塔段主柱内力均发生了较大幅度的下降, 上部塔段主柱内力则发生较大幅度的增加。当节点滑移刚度由刚接变为H-1过程中, 发现斜杆内力先降后升且增幅较大。随着滑移刚度的进一步降低, 结构下部斜杆内力降幅较大。

　　 节点滑移刚度较大时, 地震作用对结构内力的影响比较显著。随着节点滑移刚度的减小, 中下部塔段主柱内力动静比呈增大趋势且增幅较大, 上部塔段主柱内力动静比则不断减小。节点滑移刚度较小时, 有利于结构下部塔段的抗震, 不利于结构上部塔段的抗震。

　　 图7及表5分别为滑移半刚性节点结构的X, Y, Z向最大位移曲线以及部分塔段的最大位移。由图7及表5可得, 在三维罕遇地震作用下, 当节点滑移刚度为刚接 (GX) 、H-10时, 各节点的Y向位移比X向位移大。在节点滑移刚度为H-1和H-0.1时, 发现各塔段X向位移大于Y向位移。而Z向位移在节点滑移刚度较小时, 显著增大。

　　 节点滑移刚度较大时, X, Y向最大位移出现在结构顶部;节点滑移刚度较小时, X, Y向最大位移出现在结构的中上部塔段。部分节点刚度的结构位移变化曲线呈现不规则的跳跃。主要原因是当节点刚度较小时, 由于8, 11, 14, 17塔段上分别设有检修平台及天线设备, 导致中上部塔段的质量较大且分布不均匀, 在地震作用下结构呈现出较大的局部变形。当节点刚度增大时, 整体结构的侧向刚度增大, 结构的局部变形逐渐向整体弯曲变形发展。

　　 由表6, 7可得, 前22阶振型质量参与系数之和X, Y向均为0.968, 大于0.9, 地震剪力系数均大于0.032, 满足规范要求。

　　 由第4节分析可知, 适当提高节点刚度可以提高角钢塔的抗震性能。因此可以在设计、制造以及后期维护方面提高节点的强度。

　　 (1) 主肢连接节点

　　 如图8所示, 主肢连接采用内包角钢、外贴板的形式, 内包角钢和外贴板的面积之和应不小于被连接角钢面积的1.3倍。适当增加主肢与角钢钢板的连接长度以及螺栓数量。主肢连接采用双排或三排8.8级高强摩擦型螺栓, 接头螺栓每端不少于6个。

　　 (2) 主肢与支撑材连接节点

　　 如图9所示, 支撑材包括斜杆、横杆及再分构件。主肢与支撑材尽可能采用直接连接, 如果必须采用节点板连接时, 可通过增设加劲板的方式提高节点板的刚度。节点板厚度应比主肢和支撑材角钢厚度的最大值大2~3mm。适当增大主肢、支撑材与节点板的连接长度以及螺栓数量。采用8.8级高强摩擦型螺栓。斜材接头螺栓每端不少于4个, 接头应尽量靠近节点。

　　 (3) 应注重提高角钢塔节点的施工精度以及进行定期的检测、修复与加固, 以此保证角钢塔节点刚度不被施工误差、锈蚀、疲劳损伤等因素所削弱。

　　 (1) 随着弯曲刚度的减小, Z向位移缓慢地增大, 主柱的内力及内力动静比的变化不断波动, 部分斜杆的最大应力在轴向压力和轴向拉力之间不断变化;节点弯曲刚度由刚接减至S-0.1的过程中, 地震位移响应不断增大, 随着弯曲刚度继续减小, 结构X向地震位移响应逐渐减小, 结构Y向地震位移响应先增大后减小。

　　 (2) 随着节点滑移刚度的减小, 部分主柱和斜杆的最大应力在轴向压力和轴向拉力之间相互变化;中下部塔段主柱内力动静比呈增大趋势且增幅较大, 上部塔段主柱内力动静比呈减小趋势, 节点滑移刚度较小时, 有利于结构中下部塔段的抗震, 不利于结构上部塔段的抗震;节点滑移刚度为H-0.01时, 结构Z向位移发生显著增大, 可见滑移刚度对结构竖向刚度也有显著的影响。

　　 (3) 自立式角钢塔在三维罕遇地震作用下, 可以通过适当地提高节点刚度, 保证节点具有足够的延性和耗能能力, 以避免局部杆件强震下的破坏, 同时确保结构具有足够的侧向和竖向刚度, 这对提高结构的抗震性能是很有必要的。