CN105113840B - 输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法。本发明首先计算柔性塔座板所受下压力及每个地脚螺栓所受上拔力，进而得到地脚螺栓的直径，再计算柔性塔座板最小宽度，再计算受压所需最小厚度和后拉所需最小厚度。本发明运用有限元分析，借助有限元分析软件，拟合数据。本发明引入了等效计算力臂的概念，考虑垫板对几何力臂的影响，对几何力臂进行折减，真实的反应了塔座板的承载能力。按本发明计算得到的同一规格的刚性塔座板的极限承载力大于《技术规定》中的计算数值，且小于实验值。本发明克服了《技术规定》不足的同时，计算结果更加合理、可靠。

Description

输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法

技术领域

本发明涉及输电铁塔建造，更具体地说它是一种输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法。

背景技术

塔座板是输电线路自立式角钢塔的塔腿和基础连接的重要构件，负责将杆塔的基础作用力传递至基础。如图1所示柔性塔座板被田字型布置的靴板和沿塔座板边缘布置的加劲板分隔为4个区格，每个区隔的形状为了边长为(S+S1+L)的正方形减去直角边为L的等腰直角三角形，其中每个区格中设置有间距为S1的地脚螺栓。

输电铁塔塔杆的基础作用力分为下压力和上拔力两种：下压力通过塔座板直接传递至基础；上拔力通过塔座板传递至锚固在基础中的地脚螺栓，而后通过地脚螺栓传递至基础。

八地脚螺栓柔性塔座板(见附图1)主要含义包括如下两点：(1)塔座板带有八颗地脚螺栓；(2)构造简单，焊缝较少且对于较矮腿和坡度较大铁塔不存在主材和加劲板相碰的问题，从施工和美观角度而言，具有一定的优越性。

随着特高压输电线路的不断发展，杆塔所承受的荷载也不断增大，以往普通线路工程中常见的四地脚螺栓塔座板已经不能满足特高压线路工程的需要，因此工程中更多的使用了八地脚螺栓塔座板型式。

通过查阅国内外相关文献、规程和规范，《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T 5154-2012(以下简称为《技术规定》)中给出的八地螺柔性塔座板形式与目前特高压工程中常用的八地螺柔性塔 座板形式在加劲板布置上有所差异。即《技术规定》中没有给出特高压工程中常用的八地螺柔性塔座板计算公式。

事实上，有限元和试验结果显示，常用的八地脚螺栓柔性塔座板应力主要向靴板和邻近加劲板扩散，因此从应力分布角度出发，对于八地脚螺栓柔性塔座板的单个螺栓来讲，其支撑情况类似于两边固定支承、另外两边自由的情况，但其“自由边”并非完全自由，不满足位移边界条件，因此又有不能完全等同于两边固定支承、另外两边自由的情况；若将区格内两颗螺栓作为整体，则塔座板类似于四边支承，但由于应力非均匀分布且加劲板并非全封闭，与普通的四边固定支承存在差异，因此，《技术规定》中给出的计算公式不能适用于八地螺柔性塔座板受拉承载力计算。

另外，福建省电力勘测设计院对八地脚螺栓的柔性塔座板加劲板影响进行了初步的研究和探讨，通过有限元对柔性塔座板进行了受力分析，主要对比分析了无加劲板和有加劲板的承载力变化规律，对旧版电力行业标准《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T5154-2002的公式系数进行了修正，但仍旧存在现行《技术规定》公式的相同问题，没有从根本上解决塔座板承载力计算问题，并且2012年新版《技术规定》也未采用福建院的研究成果。

综上，迫切需要研究提出一种更加合理可靠的八地脚螺栓柔性塔座板计算方法，使计算结果与试验情况更加吻合，进一步提高输电线路塔座板设计的安全性和经济性。

目前，由于真型试验测试成本高，耗时长，因此在试验和理论分析的基础上往往采用有限单元法进行复杂结构的受力分析，有限单元法即将连续的结构划分为若干个有限的互不重叠的单元，利用数值方法求解相关函数。目前有限元软件已经比较成熟，常见的有ANSYS和ABAQUS等软件，本发明采用ANSYS软件展开有限元分析。

发明内容

本发明的目的在于针对与《技术规定》不同的目前常用的八地脚螺栓柔性塔座板形式，提供一种更加精确更符合工程需求的全新的输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法。

本发明是通过如下技术方案实现的，包括如下步骤：

步骤一、通过铁塔计算确定塔座板承受的上拔力和下压力N，作为塔座板计算的外部输入条件，其中上拔力分解为对每个地脚螺栓的上拔力进行分析，作用于每个地脚螺栓的上拔力为T；并通过上拔力T，确定地脚螺栓的设计直径d(单位设为mm)；

步骤二、根据图1所示柔性塔座板结构示意图结合步骤一所得的地脚螺栓设计直径d，在保证塔座板各个构件不相碰的条件下，考虑安装误差之后可以得出螺栓孔中心至最近加劲板或靴板中心的垂直距离S最小值(单位设为mm)；

螺栓间距S1＝2.5d+10；螺栓离塔座板边缘的距离L，L≥1.375d+40。

根据塔座板结构，塔座板宽度B为：

B＝2(S1+S+L) (1)

塔座板面积F_j＝B²-2L²；通过适当调整L，使得F_j满足根据力学定律(其中[R_a]为基础混凝土的抗压强度)

如上所述，即可得到塔座板的最小尺寸B以及相应的S1、S、L的构造尺寸；

步骤三、设置与塔座板底板厚度t(单位设为mm)相关的弹塑性放大系数λ，λ的取值范围如下：

λ＝1.4,t≤16mm

λ＝1.45,16mm＜t≤35mm (2)

λ＝1.6,35mm＜t≤50mm

λ＝1.7,t＞50mm

塔座板底板材料的计算强度f_u(f为钢材料的强度设计值)，如下：

f_u＝λf (3)

步骤四、根据下压力N和步骤二确定的构造尺寸B以及相应的S 1、S、L，按照《技术规定》中的底板受压计算方法，确定塔座板底板受压时所需的最小厚度t_压；

步骤五、计算塔座板底板一个区格的有效计算宽度D_i(单位设为mm)：

步骤六、将上述步骤确定的参数带入下式，计算出底板受拉时所需的最小厚度t_拉(单位设为mm)：

T为底板上作用的单个螺栓拉力；

步骤七、由于上述受拉计算方法是基于强度破坏准则推导而来，因此B/t_拉需满足B/t_拉<33，若不满足则调整塔座板底板厚度，取t_拉＝B/33使之满足；

步骤八、选取t_压和t_拉这二者的较大值作为塔座板底板的设计厚度t。

本发明所采用的计算方法引入了等效计算宽度的概念，通过等效计算宽度考虑底板刚度(即区格宽度大小)和应力非均匀分布对底板承载能力的影响，克服了《技术规定》中的不足。本发明还引入了等效计算力臂的概念，考虑垫板对几何力臂的影响，对几何力臂进行折减，真实的反应了塔座板的承载能力。本发明的计算公式所得构件承载力与试验、有限元和《技术规定》所得承载力的比较如附图7所示。本发明克服了《技术规定》不足的同时，计算结果更加合理、可靠。

附图说明

图1为八地脚螺栓柔性塔座板结构示意图。

图2为八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法流程图。

图3为B/2对等效计算宽度折减系数的影响曲线示意图。

图4为计算力臂L与S有限元计算对应关系示意图。

图5为塔座板承载力受加劲板厚度影响曲线示意图。

图6为塔座板承载力受加劲板长度影响曲线示意图。

图7为各计算方法计算得承载力比较示意图

图7中注：Pu——数值分析计算的8地脚螺栓极限承载力(当极限荷载所对应的中心位移大于或等于1.5mm时，取1.5mm所对应的荷载)；

Pj2——建议适用方法计算的8地脚螺栓承载力；

P_a——按两边支撑并参考《技术规定》(2012)公式(7.5.2-3)计算得到的承载力；

Pt2——极限承载力试验值；

P_o——参考《技术规定》(2002)公式(9.5.2-3)计算得到的承载力。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述，但该实施例不应该理解为对本发明的限制，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如附图所示，输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法按如下步骤进行：

步骤一、通过铁塔计算确定塔座板承受的上拔力和下压力N，作为塔座板计算的外部输入条件，其中上拔力分解为对每个地脚螺栓的上拔力进行分析，作用于每个地脚螺栓的上拔力为T；并通过上拔力T和下压力N，确定地脚螺栓的设计直径d(单位设为mm)(根据基础设计规程2014版)；

步骤二、根据图1所示柔性塔座板结构示意图结合步骤一所得的地脚螺栓设计直径d，在保证塔座板各个构件不相碰的条件下，考虑 安装误差之后可以得出螺栓孔中心至最近加劲板或靴板中心的垂直距离S最小值(单位设为mm)；

该式引用了《电力工程高压送电线路设计手册》(第二版)的相关内容；

塔座板承载力随S增加而减小，随S1的变化成抛物线变化规律，当S1较小时，由于两颗螺栓孔的应力集中区域扩大为一个区域，从而降低了座板的承载力，当S1增大至可以忽略螺栓应力集中影响后，座板承载力随着S1增大而减小，一般按照设计规定，螺孔之间的距离需满足构造要求，即S1>2.5d+10(mm),式中d为螺孔直径。按S确定方法，同理可确定螺栓离塔座板边缘的距离L，L≥1.375d+40。

根据塔座板结构，塔座板宽度B为：

B＝2(S1+S+L) (1)

塔座板面积F_j＝B²-2L²；通过适当调整L，使得F_j满足根据力学定律(其中[R_a]为基础混凝土的抗压强度)

如上所述，即可得到塔座板的最小尺寸B以及相应的S1、S、L的构造尺寸；

步骤三、设置与塔座板底板厚度t(单位设为mm)正相关的弹塑性放大系数λ，λ的取值范围如下：

λ＝1.4,t≤16mm

λ＝1.45,16mm＜t≤35mm (2)

λ＝1.6,35mm＜t≤50mm

λ＝1.7,t＞50mm

塔座板底板材料的计算强度f_u(f为钢材料的强度设计值)，如下：

f_u＝λf (3)

步骤四、根据下压力N和步骤二确定的构造尺寸B以及相应的S1、S、L，按照《技术规定》中的底板受压计算方法，确定塔座板底板受压时所需的最小厚度t_压；

底板弯矩M＝0.06Q·a²

上式中:a如图1所示为底板计算区段的自由边长度(mm)，

Q为底板均布应力，

底板厚度：

步骤五、计算塔座板底板一个区格的有效计算宽度D_i(单位设为mm)。

结合理论、试验和有限元分析可知，随着板宽逐渐增大，塔座板达到极限承载力时，最大应力为f_u，但在区格几何宽度内应力并非均匀布满，故提出了对应于极限应力f_u的等效计算宽度D_i，计算宽度如下:

设置取值在0、1之间的γ为宽度折减系数。由图3可知，根据有限计算的数据拟合出具体的折减系数γ如下：

随着板宽的不断增大，折减系数相应降低，从而反应了底板刚度对承载力的影响，克服了传统计算方法的不足，得到D_i为：

其中实际计算时，中B不代入单位mm，只代入B单位为mm时对应的数值。

步骤六、将上述步骤确定的参数带入下式，计算出底板受拉时所需的最小厚度t_拉(单位设为mm)：

根据经典力学理论，螺栓处的集中荷载对底板与加劲板或靴板交界处产生的弯矩值为:

其中M_u为底板与加劲板或靴板交界处截面的弯矩，M_u＝TL，其中L为计算弯矩的计算力臂，单位为mm；而T为底板上作用的单个螺栓拉力，单位为牛；

关于M_u值的确定：塔座板与螺杆连接时通常采用垫板，在外荷载作用下，垫板对区格边界处所产生的弯矩会有直接的影响，根据有限元结果可以积分得到M_u。根据可以计算出8地螺刚性塔座板的单个螺栓的计算力臂L。

假定地脚螺栓中心至最近靴板的垂直距离用S表示。将计算得到的L与S的关系曲线绘制如图4所示，即为实际力臂和几何力臂的对应关系。从图4中可以看出：L与S近似线性关系，从设计安全角度考虑，采用包络法取L＝0.65S，

此外，有无加劲板对承载力影响很大，如表1所示。通过表1可知：同样规格的底板使用加劲板后，受拉承载力可以得到明显提高，底板越薄效果越明显。有限元结果显示，有加劲肋底板的应力塑性区分布在螺栓孔至最近的靴板和加劲肋之间，无加劲肋底板的应力塑性区主要分布在靴板两侧至螺栓孔间。两者相比较，加劲肋使应力分布的区域扩大，应力分布更均匀。同时，加劲肋可以有效减小底板的变形。由表1可知，加劲板能有效提高底板的承载力，提高系数约1.23。

表1有限元分析承载力

综上，进而得到：

其中S为每个区格地脚螺栓中心至最近靴板的垂直距离；恰与螺栓孔中心至最近加劲板或靴板中心的垂直距离相同。

步骤七、由于上述受拉计算方法是基于强度破坏准则推导而来，因此B/t_拉需满足B/t_拉<33，若不满足则调整塔座板底板厚度，取t_拉＝B/33使之满足；

由于区格宽厚比是影响承载力控制模式的主要因素，而工程应用都采取强度控制的设计原则，因此，本发明提出B/t的取值范围，使座板的破坏模式为强度控制。

由表2可以看出：当B/t<33时，底板承载力由强度控制，因此以下公式推导中假定B/t<33。

表2不同地板宽厚比对应的极限荷载位移

步骤八、选取t_压和t_拉这二者的较大值作为塔座板底板的设计厚度t；

计算得到塔座板参数规格均为在一定数值内进行有限元计算、试验得到的，上述计算方法基于加劲板晚于塔座板底板破坏的假设，还需验证加劲板是否满足如下要求：

1.加劲板厚度对8地脚螺栓柔性塔座板承载力影响很小，按照设计习惯，满足底板厚度1/4即可；(从图5可知当t_j从12变化到24且S＝100时，承载力变化为15％左右，其他情况承载力变化都低于3％。)

2.加劲板长度L_j≥S(由表3和图6可知，加劲板长度对承载力影响很大，当Lj(靴板一侧加劲板长度)小于S时，座板承载力随加劲板长度增加而提高的幅度很大，当Lj大于S时，增加幅度比较平缓，从S增加到(S+S1)共提高6％左右。)

表3不同加劲板长度的座板承载力

序号	S	S1	L	T	Lj	tj	Pe/kN	△e
									1	80	100	95	20	65	10	1991.56	0.656
2	80	100	95	20	70	10	2233.59	0.348
									3	80	100	95	20	80	10	2242.21	0.514
4	80	100	95	20	90	10	2269.77	0.513
									5	80	100	95	20	100	10	2292.14	0.512
6	80	100	95	20	110	10	2313.41	0.510
									7	80	100	95	20	120	10	2312.17	0.512
8	80	100	95	20	130	10	2313.92	0.821
									9	80	100	95	20	140	10	2334.53	0.509
10	80	100	95	20	150	10	2358.16	0.510
									11	80	100	95	20	160	10	2361.49	0.159
12	80	100	95	20	180	10	2378.31	0.508

3.加劲板是否能抵抗底板上所属应力区域产生的弯矩和剪力。

采用本项目提出的八地螺刚性塔座板建议计算公式对本次试验塔座板试件进行计算，将建议公式计算值、《技术规定》(2012)计算 值、试验值和有限元模拟值汇总如表4所示。

表4柔性塔座板承载力比较

注：Pu——数值分析计算的8地脚螺栓承载力(取极限荷载，当极限荷载所对应的中心位移大于或等于1.5mm时，取1.5mm所对应的荷载)；P_j2——建议适用方法计算的8地脚螺栓承载力；Pa——按两边支撑并参考《技术规定》(2012)公式(7.5.2-3)计算得到的承载力；Po——参考《技术规定》(2002)公式(9.5.2-3)计算得到的承载力。

综上所述，本项目提出的的8地螺柔性塔座板建议计算公式具有以下特点：

(1)本计算公式考虑了板的薄膜效应对受拉承载力的影响，并且提出的等效计算宽度，公式物理意义较明确，考虑了板的几何尺寸对其承载力的影响。

(2)本计算公式计算结果与《技术规定》(2012和2002)计算结果相比，受拉承载力最大提高约20％～50％，主要原因为：规范中未规定8地脚螺栓柔性塔座板的承载力计算公式，表中所述《技术规定》(2012和2002)计算结果Pa及Po是按两边支撑计算得到的承载力，由 于柔性塔座板的实际构造有别于规范所述的两边支承，即其余两边无法满足自由边的边界条件，导致实际承载力比两边支承计算结果提高较多。

新型计算方法所得塔座板重量同《技术规定》(2012)算法计算结果对比：

表5厚度、重量对比表

由表5可知，平均一个塔座板减轻重量约35kg。考虑材料，加工，运输和安装费用，造价约为0.45万元/吨。若新建10000公里输电线路，每公里2.5基杆塔，考虑50％的杆塔使用八地脚螺栓塔座板，则减轻约1750吨钢材，节约成本约2275万元。

以上未作详细说明均为现有技术。

Claims (1)

1.输电铁塔用八地脚螺栓柔性塔座板规格计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过铁塔计算确定塔座板承受的上拔力和下压力N，作为塔座板计算的外部输入条件，其中上拔力分解为对每个地脚螺栓的上拔力进行分析，作用于每个地脚螺栓的上拔力为T；并通过上拔力T，确定地脚螺栓的设计直径d(单位设为mm)；

步骤二、根据步骤一所得地脚螺栓设计直径d，在保证塔座板各个构件不相碰的条件下，考虑安装误差之后可以得出螺栓孔中心至最近加劲板或靴板中心的垂直距离S最小值(单位设为mm)；

螺栓间距S1＝2.5d+10；螺栓离塔座板边缘的距离L，L≥1.375d+40；根据塔座板结构，塔座板宽度B为：

B＝2(S1+S+L) (1)

塔座板面积F_j＝B²-2L²；通过适当调整L，使得F_j满足根据力学定律：

其中[R_a]为基础混凝土的抗压强度；

如上所述，即可得到塔座板的最小尺寸B以及相应的S1、S、L的构造尺寸；

步骤三、设置与塔座板底板厚度t(单位设为mm)相关的弹塑性放大系数λ，λ的取值范围如下：

塔座板底板的强度计算公式如下：

f_u＝λf (3)

其中f_u为塔座板底板材料的计算强度,f为钢材料的强度设计值，

步骤四、根据下压力N和步骤二确定的构造尺寸B以及相应的S1、S、L，按照《技术规定》中的底板受压计算方法，确定塔座板底板受压时所需的最小厚度t_压；

步骤五、计算塔座板底板一个区格的有效计算宽度D_i(单位设为mm)：

步骤六、将上述步骤确定的参数带入下式，计算出底板受拉时所需的最小厚度t_拉(单位设为mm)：

T为底板上作用的单个螺栓拉力；

步骤七、由于上述受拉计算方法是基于强度破坏准则推导而来，因此B/t_拉需满足B/t_拉<33，若不满足则调整塔座板底板厚度，取t_拉＝B/33使之满足；

步骤八、选取t_压和t_拉这二者的较大值作为塔座板底板的设计厚度t。