CN105927028A - K节点斜材受压承载力的计算方法及装置 - Google Patents

K节点斜材受压承载力的计算方法及装置 Download PDF

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CN105927028A CN201610285634.5A CN201610285634A CN105927028A CN 105927028 A CN105927028 A CN 105927028A CN 201610285634 A CN201610285634 A CN 201610285634A CN 105927028 A CN105927028 A CN 105927028A
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Abstract

本发明提供了一种K节点斜材受压承载力的计算方法及装置。该方法包括:确定K节点斜材的长细比λ1;对K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2;根据修正后的长细比λ2确定斜材稳定系数获取斜材的轴心压力设计值、毛截面面积和稳定强度折减系数;根据斜材的稳定系数、轴心压力设计值、毛截面面积和稳定强度折减系数确定斜材的受压承载力。本发明对K节点斜材的长细比λ2进行了修正,并根据修正后的长细比来确定K节点斜材的受压承载力f,与现有技术相比,通过本发明中的方法计算的K节点斜材的承载力与实际情况偏差较小,并且计算方法简便可行,可为平行轴布置的K节点斜材设计和计算提供依据,有利于减轻杆塔的重量和优化杆塔的整体受力。

Description

K节点斜材受压承载力的计算方法及装置
技术领域
本发明涉及输变电工程技术领域,具体而言,涉及一种K节点斜材受压承载力的计算方法及装置。
背景技术
电能生产与传输是国家经济社会发展的命脉,输电线路更是关系国计民生的“生命线”。高电压、大容量、长距离输电是电网建设的重点,为适应这一发展要求,多分裂、大截面导线、同塔多回、特高压等输电新技术得到广泛应用,随之带来的是杆塔的高度不断增加,一般而言60m以上的杆塔即可称之为高耸杆塔,由于线路重要性的提高,对高耸杆塔安全性能的要求也越来越高。杆塔作为支承架空输电线路导地线的关键设备,其可靠性直接关系到整个输电线路的安全。
近年来,随着高耸杆塔的不断发展,已经进行了大量的杆塔真型试验和研究工作,对目前高耸杆塔及其基础设计方面存在的问题有比较深刻的理解和认识。例如,ASCE(10-97)格构式输电铁塔设计技术中给出了不同约束条件下受压构件计算长度的修正方法,同时规定了平行轴受力的塔腿主材和塔身主材计算长度的取值方法。输电线路铁塔中的平行轴受力构件包括主材、交叉斜材及其它受力构件,其计算长度的取值不能一概而论。一般而言,构件长细比越小平行轴受力构件计算长度增加比例越大,反之则减小。《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154-2002)中给出了平行轴受力主材计算长度的取值为1.2倍的杆件长度,平行轴受力的交叉斜材当交叉斜材不断开时计算长度取值为1.1倍杆件长度,当交叉斜材断开时取杆件长度;真型塔试验表明平行轴受力构件的计算长度取值与构件长细比密切相关,构件长细比越小平行轴受力构件的计算长度增加的倍数越大,目前国内规范仅针对平行轴受力的主材和斜材给出固定值的计算长度取值,该中方式获得的计算长度的误差较大,对输电塔具有一定的安全隐患。
发明内容
鉴于此,本发明提出了一种K节点斜材受压承载力的计算方法及装置,旨在解决现有K节点斜材承载力计算误差较大的问题。
一个方面,本发明提出了一种K节点斜材受压承载力的计算方法,该方法包括如下步骤:确定K节点斜材的长细比λ1;对所述K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2;根据修正后的长细比λ2确定斜材稳定系数确定斜材的轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN;根据斜材的稳定系数轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN确定斜材的受压承载力f。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述根据斜材的稳定系数轴心压力设计值、毛截面面积和稳定强度折减系数确定斜材的受压承载力f进一步为:根据公式确定斜材的受压承载力f。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,对所述K节点斜材的长细比λ进行修正进一步包括:根据K节点斜材的受力情况和约束状态确定长细比修正系数K;确定修正后的长细比为λ2=aKλ1+b;其中,1.2≥a≥0.5,40≥b≥20。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述根据K节点斜材的受力情况和约束状态确定长细比修正系数K进一步包括如下步骤:当0<λ1<120时,若斜材两端偏心受压,则长细比修正系数K为c1+d11,其中,0.6≥c1≥0.4,70≥d1≥50;若斜材两端均不偏心受压,则长细比修正系数K为1,且a=1,b=0;若斜材一端偏心受压,另一端不偏心受压时,则K为c2+d21,其中,0.8≥c2≥0.7,40≥d2≥20;当120≤λ1≤200时,若斜材的两端均处于第一约束状态受压时,则长细比修正系数K为K/a,且b=0;若斜材的一端处于第二约束状态受压且另一端处于第一约束状态受压,则长细比修正系数K为c3+d31,其中,1.0≥c3≥0.8,12≥d3≥11;若斜材两端均处于第二约束状态受压时,则长细比修正系数K为c4+d41,其中,0.7≥c4≥0.6;47≥d4≥46;其中,斜材的端部在所述第一约束状态下的运动范围大于在所述第二约束状态下的运动范围。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述根据第一约束状态为斜材的端部通过一个螺栓与其他杆件相连接;所述第二约束状态为斜材的端部通过两个或两个以上螺栓与其他杆件相连接。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述根据修正后的长细比λ2确定斜材稳定系数进一步包括:设时,时,其中,α1、α2、α3根据斜材的截面类型进行确定。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述斜材的稳定强度折减系数mN的确定方法为:所述斜材为角钢,计算斜材自由外伸宽度b和厚度t的比值当λ1<30时,取λ/=m1;当λ1>100时,取λ/=m2;式中,fy为强度标准值,32≥m1≥28;105≥m2≥95;当时,确定斜材稳定强度折减系数mN=1.0;当时,确定斜材稳定强度折减系数其中1.7≥m4≥1.6,0.7≥m5≥0.6。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述K节点为平行轴布置的K节点。
进一步地,上述K节点斜材受压承载力的计算方法中,所述K节点的支撑杆件的线刚度与斜材的线刚度之比n大于0.3且小于1.5;其中,式中:I1、I2、I3、I4分别为第一支撑杆段、第二支撑杆段、第一斜材和第二斜材的惯性矩,L1、L2、L3、L4分别为第一支撑杆段、第二支撑杆段、第一斜材和第二斜材的长度。
本发明对K节点斜材的长细比λ2进行了修正,并根据修正后的长细比来确定K节点斜材的受压承载力f,与现有技术相比,通过本发明中的方法计算的K节点斜材的承载力与实际情况偏差较小,并且计算方法简便可行,可为平行轴布置的K节点斜材设计和计算提供依据,使平行轴布置的K节点设计更加科学,有利于减轻杆塔的重量和优化杆塔的整体受力。
另一方面,本发明还提出了一种K节点斜材受压承载力的计算装置,该装置包括:长细比确定模块,用于确定K节点斜材的长细比λ1;修正模块,用于对所述K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2;稳定系数确定模块,,用于根据修正后的长细比λ2确定斜材的稳定系数折减系数确定模块,用于确定斜材的轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN;承载力确定模块,用于根据斜材的稳定系数轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN确定斜材的受压承载力f。
本发明中的K节点斜材受压承载力的计算装置与上述方法具有相同的技术效果,故不赘述。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1为本发明实施例提供的K节点斜材受压承载力的计算方法的流程图;
图2为K节点斜材的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的K节点斜材受压承载力的计算装置的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
方法实施例:
参见图1,图1为本发明实施例提出了K节点斜材受压承载力的计算方法的流程图。K节点的结构参见图2,包括第一支撑杆1、第二支撑杆2、第一斜材3和第二斜材4。一般而言,在第一支撑杆1和第一斜材3、以及在第二支撑杆2和第二斜材4之间还设置有起到支撑作用的连杆。本实施例中提供的方法是对K节点中的第一斜材3或第二斜材4的受压承载力进行计算,下面以第一斜材3为例,对本实施例中的计算方法进行具体说明,为了叙述方便,在描述本计算方法时,将第一斜材3简称为斜材。
如图1所示,本实施例中提供的K节点斜材受压承载力的计算方法包括如下步骤:
步骤S1,确定K节点斜材的长细比λ1。其中,K节点斜材的长细比λ1=L0/r,其中,L0为斜材的计算长度,r为斜材的截面的回转半径,对于一个K节点来说,该两个参数均为已知。
步骤S2,对K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2。本实施例中,可以综合考虑斜材两端的受力状态或约束状态来对长细比进行修正。其中,在考虑斜材两端的受力状态时,可以将斜材两端的受力状态分为偏心受压和不偏心受压两种情况。在考虑斜材两端的约束状态时,可以分为强约束状态和弱约束状态两种情况。具体实施时,可以根据实际情况来考虑具体的修正方法,本实施例在此不做任何限定。
步骤S3,根据修正后的长细比λ2确定斜材稳定系数
具体地,可以先根据斜材的截面类型确定α1、α2、α3,其中,α1、α2、α3可以通过规范查找。然后设其中,E为斜材的弹性模量,fy为斜材的强度标准值,该强度标准值为斜材的强度设计值,是杆件的基本物理参数,为已知。当时,斜材稳定系数时,斜材稳定系数
步骤S3,确定斜材的轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN。对于一已知K节点而言,斜材的轴心压力设计值N和毛截面面积A均为已知量。稳定强度折减系数mN可以采用本领域技术人员所熟知的方法进行计算,本发明实施例在此不再赘述。
步骤S4,根据斜材的稳定系数轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN确定斜材的受压承载力f。具体实施时,可以根据公式确定K节点斜材的受压承载力f。
可以看出,本实施例对K节点斜材的长细比λ2进行了修正,并根据修正后的长细比来确定K节点斜材的受压承载力f,与现有技术相比,由于本实施例中的方法对长细比λ1进行了修正,使计算出的K节点斜材的承载力与实际情况偏差较小,并且计算方法简单易行,可为K节点斜材设计和计算提供依据,使K节点设计更加科学,有利于减轻杆塔的重量和优化杆塔的整体受力。
在本发明的一种实施方式中,可以按如下方法对斜材的长细比λ1进行修正:首先,根据K节点斜材的受力情况和约束状态确定长细比修正系数K。然后,再根据公式λ2=aKλ1+b确定修正后的长细比λ2;其中,1.2≥a≥0.5,40≥b≥20。具体实施时,在确定长细比K时,可以把斜材长细比λ1分为两个取值范围,具体实施时,两个取值范围可以分别为(0,120)和(120,200)。
当λ1处于(0,120)取值范围内,即0<λ1<120时,根据斜材两端的受压状态来确定长细比修正系数K,具体可以分为如下三种情况:
第一种情况为:若斜材两端均偏心受压,则确定长细比修正系数K为c1+d11,其中,0.6≥c1≥0.4,70≥d1≥50。
第二种情况为:若斜材两端均不偏心受压,则长细比修正系数K为1,且a=1,b=0;
第三种情况为:若斜材一端偏心受压,另一端不偏心受压时,则长细比修正系数K为c2+d21;其中,0.8≥c2≥0.7,40≥d2≥20。
当λ1处于[120,200]取值范围内,即120≤λ1≤200时,根据斜材的两端点的约束状态来确定长细比K,具体也可以分为如下三种情况:
第一种情况为:若斜材的两端均处于第一约束状态受压时,则长细比修正系数K为K/a,且b=0;
第二种情况为:若斜材的一端处于第二约束状态受压且另一端处于第一约束状态受压,则长细比修正系数K为c3+d31,其中,1.0≥c3≥0.8;12≥d3≥11;
第三种情况为:若斜材两端均处于第二约束状态受压时,则长细比修正系数K为c4+d41,其中,0.7≥c4≥0.6;47≥d4≥46。
需要说明的是,斜材的端部在第一约束状态下的相对移动范围大于在第二约束状态下的相对移动范围,即第一约束状态可以为弱约束状态,第二约束状态可以为强约束状态。例如,第一约束状态下斜材的端部可以通过一个螺栓与其他杆件相连接,第二约束状态下斜材的端部可以通过两个螺栓与其他杆件相连接,显然,当有相同外力作用时,斜材的端部在一个螺栓约束状态下的移动的位移大于在两个螺栓约束下的移动的位移。
在本发明的实施方式中,如果斜材为角钢,则斜材的稳定强度折减系数mN可以按如下方法进行确定:
计算斜材的自由外伸宽度b和厚度t的比值
当λ1<30时,取λ/=m1;当λ1>100时,取λ/=m2;式中,fy为强度标准值;32≥m1≥28;105≥m2≥95。
时,确定斜材的稳定强度折减系数mN=1.0;
时,确定斜材的稳定强度折减系数上述各式中,fy为强度标准值,该强度标准值为已知,1.7≥m4≥1.6,0.7≥m5≥0.6。
自由外伸宽度和厚度为角钢的已知参数,本实施例通过自由外伸宽度和厚度的比值来确定斜材的稳定强度折减系数。与现有的稳定强度折减系数相比,本实施例中提供的方法更为接近实际情况,通过该稳定强度折减系数确定的斜材的受压承载力与实际实际受力更为吻合。
在本发明的实施方式中,K节点可以为平行轴布置的K节点,该平行轴布置的K节点的支撑杆件的线刚度与斜材的线刚度之比n大于0.3且小于1.5。支撑杆件与斜材的线刚度之比n可以按如下公式进行计算:
式中:I1、I2、I3、I4分别为第一支撑杆段1、第二支撑杆段2、第一斜材3和第二斜材4的惯性矩,rx1、rx2、rx3、rx4分别为第一支撑杆段1、第二支撑杆段2、第一斜材3和第二斜材4截面的平行轴回转半径,L1、L2、L3、L4分别为第一支撑杆段1、第二支撑杆段2、第一斜材3和第二斜材4的长度,A1、A2、A3、A4分别为第一支撑杆段1、第二支撑杆段2、第一斜材3和第二斜材4的截面积。本实施例中对支撑杆件与斜材的线刚度比进行了限定,以使K节点具有较好的受力结构。
下面对本发明实施例中提供的K节点斜材承载力计算方法进行更为详细的说明:
首先,根据公式λ1=L0/r计算K节点斜材的长细比,其中,L0为斜材的计算长度,r为斜材的截面回转半径。然后对K节点斜材的长细比λ1进行修正,具体为:先确定修正系数K:当长细比0<λ1<120时,斜材的两端均为偏心受压,斜材的长细比修正系数K为0.5+60/λ1;当长细比120≤λ2≤200时,若斜材两端均为弱约束时,则对长细比不进行修正,若斜材一端为强约束另一端为弱约束,则确定长细比修正系数K为0.762+28.6/λ1,若斜材两端均为强约束,则长细比修正系数K为0.615+46.2/λ1。确定了修正系数K之后,再根据公式λ2=0.8213Kλ+26.73确定修正后的长细比λ2
然后计算斜材稳定系数具体为:当时,斜材稳定系数时,其中,斜材的角钢按b类截面分类,α1、α2、α3分别为0.650、0.965、0.300,该数值可以从规范查到。
再计算斜材的稳定强度折减系数mN,该稳定强度折减系数mN根据角钢的翼缘板自由外伸宽度b与厚度t之比进行确定,具体为:令当λ1<30时,取λ/=30;当λ>100时,取λ/=100。当时,取mN=1.0;当时,取
最后,根据公式确定K节点中斜材的受压承载力f,单位是N/mm2。该式中:N为轴心压力设计值,指设计时斜材的强度设计值,在本发明中为一个已知值,单位是N;A为斜材的毛截面面积,单位是mm2;为斜材稳定系数,斜材的截面分类为b类;mN为斜材的稳定强度折减系数。
下表为经过本实施例中提供的方法计算的K节点斜材的受压承载力和经过试验得到的K节点斜材受压承载力的比较。从表中可以看出,应用本发明计算的K节点斜材受压力的理论值与试验值吻合较好。
表1基于修正长细比的承载力计算
试件编号 长细比 修正系数Kλ 修正系数kλ 试验承载力 承载力计算值 理论值/试验值
L75x6A 74.81 97.40 106.73 117.000 127.029 1.086
L80x7A 78.70 99.35 108.33 167.000 163.185 0.977
L125x10A 82.86 101.43 110.03 364.000 341.176 0.937
L100x8A 98.25 109.12 116.35 207.000 203.541 0.983
L70x5A 120.28 120.17 125.43 78.000 79.632 1.021
综上,本实施例对K节点斜材的长细比λ2进行了修正,并根据修正后的长细比来确定K节点斜材的受压承载力f,与现有技术相比,通过本实施例中的方法计算的K节点斜材的承载力与实际情况偏差较小,并且计算方法简便可行,可为平行轴布置的K节点斜材设计和计算提供依据,使平行轴布置的K节点设计更加科学,有利于减轻杆塔的重量和优化杆塔的整体受力。
装置实施例:
参见图3,图3位本发明还提出了一种K节点斜材受压承载力的计算装置的结构框图。如图所示,该装置包括:长细比确定模块100,用于确定K节点斜材的长细比λ1;修正模块200,用于对所述K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2;稳定系数确定模块300,用于根据修正后的长细比λ2确定斜材的稳定系数折减系数确定模块400,用于确定斜材的轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN;承载力确定模块500,用于根据斜材的稳定系数轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN确定斜材的受压承载力f。
该装置实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可,本实施例在此不再赘述。
本实施例对K节点斜材的长细比λ2进行了修正,并根据修正后的长细比来确定K节点斜材的受压承载力f,与现有技术相比,由于本实施例中的方法对长细比λ1进行了修正,使计算出的K节点斜材的承载力与实际情况偏差较小,并且计算方法简单易行,可为K节点斜材设计和计算提供依据,使K节点设计更加科学,有利于减轻杆塔的重量和优化杆塔的整体受力。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,包括如下步骤:
确定K节点斜材的长细比λ1
对所述K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2
根据修正后的长细比λ2确定斜材的稳定系数
确定斜材的轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN
根据斜材的稳定系数轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN确定斜材的受压承载力f。
2.根据权利要求1所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述根据斜材的稳定系数轴心压力设计值、毛截面面积和稳定强度折减系数确定斜材的受压承载力f进一步为:
根据公式确定斜材的受压承载力f。
3.根据权利要求1所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,对所述K节点斜材的长细比λ进行修正进一步包括:
根据K节点斜材的受力情况和约束状态确定长细比修正系数K;
确定修正后的长细比为λ2=aKλ1+b;其中,1.2≥a≥0.5,40≥b≥20。
4.根据权利要求3所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述根据K节点斜材的受力情况和约束状态确定长细比修正系数K进一步包括如下步骤:
当0<λ1<120时,若斜材两端偏心受压,则长细比修正系数K为c1+d11,其中,0.6≥c1≥0.4,70≥d1≥50;若斜材两端均不偏心受压,则长细比修正系数K为1,且a=1,b=0;若斜材一端偏心受压,另一端不偏心受压时,则K为c2+d21,其中,0.8≥c2≥0.7,40≥d2≥20;
当120≤λ1≤200时,若斜材的两端均处于第一约束状态受压时,则长细比修正系数K为K/a,且b=0;若斜材的一端处于第二约束状态受压且另一端处于第一约束状态受压,则长细比修正系数K为c3+d31,其中,1.0≥c3≥0.8,12≥d3≥11;若斜材两端均处于第二约束状态受压时,则长细比修正系数K为c4+d41,其中,0.7≥c4≥0.6;47≥d4≥46;其中,斜材的端部在所述第一约束状态下的运动范围大于在所述第二约束状态下的运动范围。
5.根据权利要求4所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述第一约束状态为斜材的端部通过一个螺栓与其他杆件相连接;所述第二约束状态为斜材的端部通过两个或两个以上螺栓与其他杆件相连接。
6.根据权利要求1所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述根据修正后的长细比λ2确定斜材稳定系数进一步包括:
时,时,其中,α1、α2、α3根据斜材的截面类型进行确定。
7.根据权利要求1所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述斜材稳定强度折减系数mN的确定方法为:
所述斜材为角钢,计算斜材自由外伸宽度b和厚度t的比值
当λ1<30时,取λ/=m1;当λ1>100时,取λ/=m2;式中,fy为强度标准值,32≥m1≥28;105≥m2≥95;
时,确定斜材稳定强度折减系数mN=1.0;
时,确定斜材稳定强度折减系数其中1.7≥m4≥1.6,0.7≥m5≥0.6。
8.根据权利要求1所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述K节点为平行轴布置的K节点。
9.根据权利要求1所述的K节点斜材受压承载力的计算方法,其特征在于,所述K节点的支撑杆件的线刚度与斜材的线刚度之比n大于0.3且小于1.5;其中,式中:I1、I2、I3、I4分别为第一支撑杆段、第二支撑杆段、第一斜材和第二斜材的惯性矩,L1、L2、L3、L4分别为第一支撑杆段、第二支撑杆段、第一斜材和第二斜材的长度。
10.一种K节点斜材受压承载力的计算装置,其特征在于,该装置包括:
长细比确定模块,用于确定K节点斜材的长细比λ1
修正模块,用于对所述K节点斜材的长细比λ1进行修正,得到修正后的长细比λ2
稳定系数确定模块,用于根据修正后的长细比λ2确定斜材的稳定系数
折减系数确定模块,用于确定斜材的轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN
承载力确定模块,用于根据斜材的稳定系数轴心压力设计值N、毛截面面积A和稳定强度折减系数mN确定斜材的受压承载力f。
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