CN104298840B - 一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法，所述三角形断面铁塔包括主材、斜材、横隔面和连接板，该方法通过确定塔身构件承受风压的总投影面积、填充率、塔身背风面风压降低系数和角度风风向系数，从而确定所述塔身的风荷载；本发明的方法综合考虑风向、填充率和三角形塔身的三个面间的相互作用等因素的影响，填补了《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154‑2002）中三角形塔风荷载计算的空白，且与《建筑结构荷载规范》中给出的风荷载确定方法相比，具有更好的适用性和更高的精度。
Description
技术领域：
本发明涉及输电线路设计中的杆塔结构风荷载确定领域，更具体涉及一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法。
背景技术：
三角形断面铁塔（简称为“三角形塔”）的塔身由3根主材、斜材、横隔面和连接板组合而成，断面为三角形，与同高度的四边形塔相比较，可节省钢材，减少占地面积。
对于三角形塔的设计而言，风荷载是其主要的外荷载之一，因此风荷载的确定非常重要。目前三角形塔塔身的风荷载计算主要参考《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012），风荷载公式为Ww=W0μzβzμsAs，规范中给出了如附图5中所示3个风向（分别对应于θ=0°、θ=30°及θ=60°）的整体体型系数μs如下表所示：
| 填充率φ | ≤0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 |
| 整体体型系数μs | 2.4 | 2.2 | 2.0 | 1.8 | 1.6 |
由上表可以看出根据填充率φ确定3个风向（分别对应于θ=0°、θ=30°及θ=60°）的整体体型系数μs取值相同，导致3个风向（分别对应于θ=0°、θ=30°及θ=60°）的风荷载一样，取值偏于保守，在设计过程中会使塔身风荷载偏大，导致设计安全裕度过高而造成材料浪费；由于规范中仅给出了3个风向（分别对应于θ=0°、θ=30°及θ=60°）的整体体型系数μs，对于铁塔设计而言没有涵盖常用的设计风向角（如45°），导致风荷载的公式的适用性不强，因此有必要进一步精确三角形塔的风荷载确定方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种三角形断面铁塔（简称为“三角形塔”）塔身风荷载的确定方法，本方法综合考虑风向、填充率和三角形塔塔身的三个面间的相互作用等因素的影响，填补了《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）中三角形塔风荷载计算的空白，且与《建筑结构荷载规范》中给出的风荷载确定方法相比，具有更好的适用性和更高的精度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述三角形塔包括主材、斜材、横隔面和连接板，该方法包括以下步骤：
（1）确定塔身构件承受风压的总投影面积；
（2）确定填充率；
（3）确定塔身背风面风压降低系数；
（4）确定角度风风向系数；
（5）确定塔身的风荷载。
本发明提供的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述步骤1中的塔身构件包括主材、斜材、横隔材和辅助材；
所述总投影面积As=Ac+Af （1）
其中Ac为圆断面构件投影面积，Af为开口断面构件投影面积。
本发明提供的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述投影面积为塔身构件在其所在面的法线方向的投影面积。
本发明提供的另一优选的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，
所述步骤2中填充率φ的确定方法如下：
其中，As——塔身构件承受风压的总投影面积；
A——设计区段的轮廓面积，
a1——设计区段的顶端塔身宽度；
a2——设计区段的底端塔身宽度；
h——设计区段的高度。
本发明提供的再一优选的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述步骤3中三角形断面铁塔身背风面风压降低系数η′确定方法如下：
其中，η为四边形塔架b/a=1时背风面荷载降低系数；
b为塔架迎风面与背风面之间的距离，a为塔架迎风面宽度。
本发明提供的又一优选的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述四边形塔架b/a=1时背风面荷载降低系数η根据下表确定：
| φ | ≤0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | >0.6 |
| η | 1.0 | 0.85 | 0.66 | 0.50 | 0.33 | 0.15 |
其中，φ为填充率。
本发明提供的又一优选的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述步骤4中角度风风向系数Kθ确定方法如下：
其中，θ为风向与迎风面法线方向的夹角且-60°≤θ≤60°；
As为所述塔身构件承受风压的总投影面积，Ac为圆断面构件投影面积，Af为开口断面构件投影面积。
本发明提供的又一优选的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述步骤5中的塔身的风荷载确定方法如下：
Ww——三角形塔身所受到的沿风向方向的风荷载，kN；
As——塔身构件承受风压的总投影面积，m2；As1、As2、As3分别为三角塔塔身的迎风面1、面2和面3上构件沿其各自所在面法线方向的总投影面积，其中As1、As2和As3分别根据所述公式1计算；所述面2和面3依次为沿着迎风面1逆时针方向塔身的另外两个面；
A——轮廓面积，m2
μz——风压高度变化系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.6-2的规定选用；
μs——构件的体型系数，根据下式确定：
所述塔身构件为圆断面构件：
当μzW0·d2≤0.002时，μs=1.2
当μzW0·d2≥0.015时，μs=0.7
当0.002<μzW0·d2<0.015时，μs值按插入法计算
所述塔身构件为角钢、槽钢、工字钢和方钢构件：μs=1.3；
其中，W0——基准风压标准值，kN/m2；d——为圆断面构件直径，m；
Kθ1、Kθ2——分别为所述迎风面1和面2的角度风风向系数，根据所述公式（4）确定；
As1为迎风面1的承受风压的总投影面积，Ac1为迎风面1圆断面构件投影面积，Af1为迎风面1开口断面构件投影面积；
As2为面2的承受风压的总投影面积，Ac2为面2圆断面构件投影面积，Af2为面2开口断面构件投影面积；
θ为风向与迎风面1法线方向的夹角；
η'1为三角形断面塔对应于迎风面1的背风面风压降低系数，其中，η1为四边形塔架b/a=1时填充率φ=As1/A所对应的背风面荷载降低系数；
η'2为三角形断面塔对应于面2的背风面风压降低系数，其中，η2为四边形塔架b/a=1时填充率φ=As2/A所对应的背风面荷载降低系数；
βz——杆塔风荷载调整系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.7-2的规定选用；
所述风荷载Ww按照计算区段内的主材节点数平均作用到每个主材节点上。
本发明提供的又一优选的一种三角形塔塔身风荷载的确定方法，所述三角形塔塔身断面为等边三角形且塔身三个面的杆件布置及规格均相同时，所述塔身的风荷载Ww确定方法如下：
Ww=W0μzβzμs(1+η′)AsKθ （6）
其中，W0——基准风压标准值，kN/m2；
μz——风压高度变化系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.6-2的规定选用；
βz——杆塔风荷载调整系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.7-2的规定选用；
μs为构件的体型系数，根据下式确定：
所述塔身构件为圆断面构件：
当μzW0·d2≤0.002时，μs=1.2
当μzW0·d2≥0.015时，μs=0.7
当0.002<μzW0·d2<0.015时，μs值按插入法计算
所述塔身构件为角钢、槽钢、工字钢和方钢构件：μs=1.3；
其中，d为圆断面构件直径，m；
η′为三角形断面塔塔身背风面风压降低系数，其中，η为四边形塔架b/a=1时填充率φ=As/A所对应的背风面荷载降低系数；
As为所述塔身构件承受风压的总投影面积；
Kθ为角度风风向系数。
由于采用了上述技术方案，本发明得到的有益效果是：
1、本发明中得到的风荷载结果更精确，与同高度的四边形塔相比较可节省塔材；
2、本发明中可以计算不同的角度风作用时三角形塔塔身的风荷载，适用范围更广；
3、本发明中的风荷载的确定方法综合考虑风向、填充率和三角形三个面间的相互作用等因素的影响，填补了《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）中三角形塔风荷载计算的空白；
4、本发明中的风荷载确定方法与《建筑结构荷载规范》中给出的风荷载确定方法相比，具有更好的适用性和更高的精度。
附图说明
图1为本发明中塔身结构构件的投影面积示意图；
图2为本发明中风向与三角形塔迎风面法线方向的夹角示意图；
图3为本发明中的风向角示意图；
图4为本发明中确定风荷载塔身的区段示意图；
图5为三角形塔来风方向示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-4所示，本例为本发明中三角形塔的塔身风荷载确定方法的过程。
三角形塔设计条件：设计塔为自立式铁塔，塔身断面为等边三角形，且塔身三个面的主材、斜材、横隔材及辅助材布置及规格均相同。设计塔所处场地类别为B类，设计风速为30m/s，全塔总高为56.7m。
风荷载计算时先将塔身分为多个需要确定风荷载的区段，此处仅取一个区段进行分析，如附图4所示，此区段中心所在位置的高度为30m，该区段包含了主材、斜材、横隔材，所有构件均为角钢构件，不含圆断面构件，确定风向与迎风面1法线方向夹角为0°、30°及45°时该区段所受到的风荷载。
基准风压标准值：V0为设计风速；
风压高度系数变化μz：按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.6-2的规定选用；
z为区段中心所在位置的高度，
风荷载调整系数βz按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.7-2可得：βz=1.567；
μs——构件的体型系数，三角形塔架均由角钢构件构成，μs=1.3
该区段内塔身构件承受风压的总投影面积As，所述投影面积为该区段内塔身构件所在面的法线方向的投影面积：
As=Ac+Af，
其中Ac为圆断面构件投影面积，Af为开口断面构件投影面积。
As=Af=(0.160×3.050×2)+(4.448×0.070×2)+(3.237×0.056)=1.780m2
填充率φ：
A——该区段塔身的轮廓面积，
a1——该区段塔身的顶端塔身宽度；
a2——该区段塔身的底端塔身宽度；
h——该区段塔身的高度；
背风面风压降低系数η′：
其中，η为四边形塔架b/a=1时背风面荷载降低系数；
b为塔架迎风面与背风面之间的距离，a为塔架迎风面宽度。
所述四边形塔架b/a=1时背风面荷载降低系数η根据下表确定：
| φ | ≤0.1 | 0.20.30.40.5>0.6 |
| η | 1.0 | 0.850.660.500.330.15 |
其中，φ为填充率，所以当φ=0.18时，上述表格可得，η=0.88，风向系数Kθ：
由于Ac=0，As=Af=1.780m2，θ为风向
与迎风面法线方向的夹角且-60°≤θ≤60°；
不同风向角时，风向系数Kθ取值不同，计算如下：
①当风向角θ=0°，风向系数Kθ=1-0.1sin2(1.5×0°)=1.0
三角形塔沿风方向θ=0°时的风荷载值为：
Ww=W0μzβzμs(1+η′)AsKθ=0.563×1.421×1.567×1.3×(1+0.587)×1.780×1.0=4.604kN
②当风向角θ=30°，风向系数Kθ=1-0.1sin2(1.5×30°)=0.95
三角形塔沿风方向θ=30°时的风荷载值为：
Ww=W0μzβzμs(1+η′)AsKθ=0.563×1.421×1.567×(1+0.587)×1.780×0.95=4.374kN
③当风向角θ=45°，风向系数Kθ=1-0.1sin2(1.5×45°)=0.915
三角形塔沿风方向θ=45°时的风荷载值为：
Ww=W0μzβzμs(1+η′)AsKθ=0.563×1.421×1.567×(1+0.587)×1.780×0.915=4.212kN
最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法，所述三角形断面铁塔包括主材、斜材、横隔面和连接板，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)确定塔身构件承受风压的总投影面积；
(2)确定填充率；
(3)确定塔身背风面风压降低系数；
(4)确定角度风风向系数；
(5)确定塔身的风荷载；
所述步骤( 1) 中的塔身构件包括主材、斜材、横隔材和辅助材；
所述总投影面积As＝Ac+Af (1)
其中Ac为圆断面构件投影面积，Af为开口断面构件投影面积；所述投影面积为塔身构件在其所在面的法线方向的投影面积；
所述步骤( 2) 中填充率的确定方法如下：
其中，As——塔身构件承受风压的总投影面积；
A——设计区段的轮廓面积；
a1——设计区段的顶端塔身宽度；
a2——设计区段的底端塔身宽度；
h——设计区段的高度；
所述步骤( 3) 中三角形断面铁塔塔身背风面风压降低系数η′确定方法如下：
其中，η为四边形塔架b/a＝1时背风面荷载降低系数；
b为塔架迎风面与背风面之间的距离，a为塔架迎风面宽度；
所述步骤( 4) 中角度风风向系数Kθ确定方法如下：
其中，θ为风向与迎风面法线方向的夹角；
所述步骤( 5) 中的塔身的风荷载确定方法如下：
Ww——三角形塔身所受到的沿风向方向的风荷载，kN；
As1、As2、As3分别为三角塔塔身的迎风面1、面2和面3上构件沿其各自所在面法线方向的总投影面积，其中As1、As2和As3分别根据所述公式(1)计算；所述面2和面3依次为沿着迎风面1逆时针方向塔身的另外两个面；
μz——风压高度变化系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.6-2的规定选用；
μs——构件的体型系数，根据下述方法确定：
所述塔身构件为圆断面构件：
当μzW0·d2≤0.002时，μs＝1.2
当μzW0·d2≥0.015时，μs＝0.7
当0.002＜μzW0·d2＜0.015时，μs值按插入法计算
所述塔身构件为角钢、槽钢、工字钢和方钢构件：μs＝1.3；
其中，W0——基准风压标准值，kN/m2；d——为圆断面构件直径，m；
Kθ1、Kθ2——分别为所述迎风面1和面2的角度风风向系数，根据所述公式(4)确定；
As1为迎风面1的承受风压的总投影面积，Ac1为迎风面1圆断面构件投影面积，Af1为迎风面1开口断面构件投影面积；
As2为面2的承受风压的总投影面积，Ac2为面2圆断面构件投影面积，Af2为面2开口断面构件投影面积；
θ为风向与迎风面1法线方向的夹角；
η1'为三角形断面塔对应于迎风面1的背风面风压降低系数，其中，η1为四边形塔架b/a＝1时填充率φ＝As1/A所对应的背风面荷载降低系数；
η2'为三角形断面塔对应于面2的背风面风压降低系数，其中，η2为四边形塔架b/a＝1时填充率φ＝As2/A所对应的背风面荷载降低系数；
βz——杆塔风荷载调整系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.7-2的规定选用；
所述风荷载Ww按照计算区段内的主材节点数平均作用到每个主材节点上。
2.如权利要求1所述的一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法，其特征在于：所述四边形塔架b/a＝1时背风面荷载降低系数η根据下表确定：
其中，φ为填充率。
3.如权利要求2所述的一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法，其特征在于：所述步骤( 4) 中风向与迎风面法线方向的夹角θ的取值范围为-60≤θ≤60。
4.如权利要求1所述的一种三角形断面铁塔塔身风荷载的确定方法，其特征在于：所述三角形塔塔身断面为等边三角形且塔身三个面的杆件布置及规格均相同时，所述塔身的风荷载Ww确定方法如下：
Ww＝W0μzβzμs(1+η′)AsKθ (6)
其中，W0——基准风压标准值， kN/m2 ；
μz——风压高度变化系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.6-2的规定选用；
βz——杆塔风荷载调整系数，按《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》表5.7-2的规定选用；
μs为构件的体型系数，根据下述方法确定：
所述塔身构件为圆断面构件：
当μzW0·d2≤0.002时，μs＝1.2
当μzW0·d2≥0.015时，μs＝0.7
当0.002＜μzW0·d2＜0.015时，μs值按插入法计算；
所述塔身构件为角钢、槽钢、工字钢和方钢构件：μs＝1.3；
其中，d为圆断面构件直径，m；
η′为三角形断面塔塔身背风面风压降低系数，其中，η为四边形塔架b/a＝1时填充率φ＝As/A所对应的背风面荷载降低系数；
As为所述塔身构件承受风压的总投影面积；
Kθ为角度风风向系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |