CN105117577A - 输电铁塔用八地脚螺栓刚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刚性塔座板规格计算方法。本发明首先计算刚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，再计算刚性塔座板最小宽度，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刚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刚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所示刚性塔座板被井字型布置的加劲板和十字型布置的靴板分隔为16个区格，除四角的四个区格外，其余12个区格均为边长为2S的正方形，其中八个区格中心还设置有地脚螺栓。

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。

八地脚螺栓刚性塔座板(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)塔座板刚度很大，在每颗地脚螺栓的三个边均设置有加劲板或靴板，约束塔座板底板的平面外变形。

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，仅《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T5154-2012(以下简称为《技术规定》)中提到八地脚螺栓刚性塔座板的计算方法，但两种计算方法均存在如下缺点：(1)刚性板算法1(按照三边固定一边自由均匀受力计算)和算法2(按照《技术规定》公式7.5.1-7～公式7.5.1-9进行计算)仅与塔座板的底板厚度有关，未考虑底板的区格宽度(相邻加劲板之间的距离)影响，即当底板上的加劲板布置方式不变时，区格宽度无限增大，计算所得的底板厚度不变，计算结果与实际情况不符；(2)《技术规定》中假定刚性板受拉时底板应力均匀分布，通过试验和有限元仿真发现，当底板受拉时，底板应力分布呈严重的非均匀性，因此《技术规定》中的计算方法假定与实际情况不符。

综上，迫切需要研究提出一种更加合理和可靠的八地脚螺栓刚性塔座板计算方法，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

本发明的目的在于克服《技术规定》中八地脚螺栓刚性塔座板计算方法的不足，提供一种更加精确的全新的输电铁塔用八地脚螺栓刚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、通过d计算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)；

$S\≥\frac{2.5d}{2}+\frac{1.25d-d}{2}+30=1.375d+30---\left(1\right)$

根据塔座板结构，塔座板宽度B＝8S，塔座板面积F_j＝B²-8S²＝56S²；

根据力学定律得到([Ra]为基础混凝土的抗压强度)

$F_j\≥\frac{N}{\[R_a\]}$

得到

$S\≥\sqrt{\frac{N}{56\[R_a\]}}---\left(2\right)$

综合比较式(1)、(2)式得到S取值允许的最小值作为S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

(3)

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(4)

步骤四、根据下压力N和步骤二确定的构造尺寸S，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):

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}(10.3S^{-1}+0.8)6S& 50mm\≤S\≤110mm\\ (15.3S^{-0.05}-11.2)6S& 110mm\≤S\≤300mm\end{array}\right.---\left(5\right)$

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S/t_拉需满足S/t_拉≤5，若不满足则调整塔座板底板厚度，取t_拉＝S/5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8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为八地脚螺栓刚性塔座板结构示意图。

图2为八地脚螺栓刚性塔座板规格计算方法流程图。

图3为S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高度影响曲线示意图。

图6为塔座板承载力受加劲板厚度影响曲线示意图。(加劲板高度h_j＝100mm)

图7为塔座板承载力受加劲板厚度影响曲线示意图。(加劲板高度h_j＝200mm)

图8为各计算方法计算得承载力比较示意图

图8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；

Pa1——《技术规定》(2012)算法1计算值(按照三边固定一边自由计算)；

Pt2——极限承载力试验值；

Pa2——《技术规定》(2012)算法2计算值(按照《技术规定》(2012)公式7.5.1-7～公式7.5.1-9进行计算)。

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刚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)；

步骤二、通过d计算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)；

$S\≥\frac{2.5d}{2}+\frac{1.25d-d}{2}+30=1.375d+30---\left(1\right)$

式(1)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；

根据塔座板结构，塔座板宽度B＝8S，塔座板面积F_j＝B²-8S²＝56S²；根据力学定律得到(其中[Ra]为基础混凝土的抗压强度)

$F_j\≥\frac{N}{\[R_a\]}$

得到

$S\≥\sqrt{\frac{N}{56\[R_a\]}}---\left(2\right)$

综合比较式(1)、(2)式得到S取值允许的最小值作为S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

(3)

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(4)

步骤四、根据下压力N和步骤二确定的构造尺寸S，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为底板计算区段的自由边长度(mm)即一个区格的长度,每一区格的4边均有3边被加劲板或靴板固定，有一边为自由边，a＝2S。

Q为底板均布应力，

底板厚度： $t\≥\sqrt{\frac{5M}{f}}=\sqrt{\frac{3N}{140f}}$

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:

D_i＝6γS

其中每个有地脚螺栓的塔座板区格三边加劲板或靴板的总长为6S，并设置取值在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：

$\mathrm{\γ}=\left\{\begin{array}{cc}10.3S^{-1}+0.8& 50mm\≤S\≤110mm\\ 15.3S^{-0.05}-11.2& 110mm\≤S\≤300mm\end{array}\right.$

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：

$D_i=\left\{\begin{array}{cc}(10.3S^{-1}+0.8)6S& 50mm\≤S\≤110mm\\ (15.3S^{-0.05}-11.2)6S& 110mm\≤S\≤300mm\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中实际计算时，“(10.3S^-1+0.8)”及“(15.3S^-0.05-11.2)”中S不代入单位mm，只代入S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，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＝0.7S，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S/t_拉需满足S/t_拉≤5，若不满足则调整塔座板底板厚度，取t_拉＝S/5使之满足；

由于区隔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S/t的取值范围，使座板的破坏模式为强度控制。

由表1可以看出：时，底板承载力由强度控制，因此以下公式推导中假定S/t<5。

表1

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.加劲板高度h_j≥150mm，且与塔座板厚度t满足，h_j/t≥7.5；(从图5可知，当h_j/t从2.5变化到7.5时，承载力增加较多，之后增加相对缓慢，因此构造上同时宜保证h_j/t≥7.5。)

2.加劲板厚度t_j≥8mm，且t_j≥t/4；(由图6、图7所示，其中当h＝100、S＝120mm时，刚性塔座板受加劲板厚度的影响较明显，t_j＝14较t_j＝6承载力增长了52％，其他情况下的增幅都比较接近，通常表现为加劲板厚度t_j从6mm增大到10mm，承载力提高约10％-15％。因此，加劲板厚度宜大于等于8mm，同时按照设计习惯，一般加劲板厚度宜大于底板厚度的1/4。)

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2所示。

表2刚性塔座板承载力比较

注：P_u——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)；P_j2——建议适用方法计算的8地脚螺栓承载力；P_a1——《技术规定》(2012)算法1计算值(按照三边固定一边自由计算)；P_a2——《技术规定》(2012)算法2计算值(按照《技术规定》(2012)公式7.5.1-7～公式7.5.1-9进行计算)。

综上所述，本项目提出的的八地螺刚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后屈曲强度对受拉承载力的影响。

(2)本计算公式所提出的等效计算宽度物理意义较明确，考虑了板的几何尺寸对其承载力的影响。

(3)如表2和图8所示，本发明建议公式计算结果与《技术规定》(2012)算法1结果相比，受拉承载力最大降低44％；与《技术规定》(2012)算法2结果相比，受拉承载力最大提高85.7％。

主要原因在于：a)算法1在推导计算公式时采用与受压计算一样的假定，即底板应力均匀分布的三边支承理论，导致承载力计算值比实际情况要高很多，按此设计偏于危险；

b)算法2未考虑板屈曲后强度和求解弯矩时力臂的折减，导致承载力计算值比实际情况低很多，这两种算法均不可取。

新型计算方法所得塔座板重量同现有计算方法计算结果对比：

表3厚度、重量对比表

由表3可知，平均一个塔座板减轻重量约141.4kg。考虑材料，加工，运输和安装费用，造价约为1.3万元/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7070吨钢材，节约成本约9191万元。

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刚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；并通过上拔力和下压力N，确定地脚螺栓的设计直径d(单位设为mm)；

步骤二、通过d计算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)；

$S\&GreaterEqual;\frac{2.5d}{2}+\frac{1.25d-d}{2}+30=1.375d+30---\left(1\right)$

根据塔座板结构，塔座板宽度B＝8S，塔座板面积F_j＝B²-8S²＝56S²；

根据力学定律得到([Ra]为基础混凝土的抗压强度)

$F_j\&GreaterEqual;\frac{N}{\&lsqb;R_a\&rsqb;}$

得到

$S\&GreaterEqual;\sqrt{\frac{N}{56\&lsqb;R_a\&rsqb;}}---\left(2\right)$

综合比较式(1)、(2)式得到S取值允许的最小值作为S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

(3)

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(4)

步骤四、根据下压力N和步骤二确定的构造尺寸S，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):

$D_i=\{\begin{array}{cc}(10.3S^{-1}+0.8)6S& 50mm\&le;S\&le;110mm\\ (15.3S^{-0.05}-11.2)6S& 110mm\&le;S\&le;300mm\end{array}---\left(5\right)$

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S/t_拉需满足S/t_拉≤5，若不满足则调整塔座板底板厚度，取t_拉＝S/5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。