CN106285160B - 一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，通过计算钢管的横向力和弯矩；分别计算上连接肋板和下连接肋板的作用力，并选择上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板；计算钢管的局部变形承载力和连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力，比较钢管的局部变形承载力、连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力，得到钢管节点的承载力的值。本发明提出的输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，该方法避免了结构在安全储备方面与预期效果存在的偏差，有效的模拟了构件的实际受力情况，且计算过程简单明了，方便设计人员进行钢管节点局部稳定计算，使得输电钢管塔的结构更加可靠稳定，进而保证了输电钢管塔在工作状态中的可靠性与安全性。
Description
技术领域
本发明涉及输电钢管塔的钢管节点领域，具体涉及一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法。
背景技术
输电塔则是架空线路的支撑点,在输电塔上架设一个回路则是单回路输电塔,在输电塔上架设两个回路则是双回路输电塔。单回路就是指一个负荷有一个供电电源的回路；双回路就是指一个负荷有两个供电电源的回路。一般，对供电可靠性要求高的企业,或地区重要变电站,均采用双回线供电,这样可保护其中一个电源因故停电，另一个电源可继续供电。但对一般的对供电可靠性要求不高的中小用户往往采用单电源供电。近年来随着架空输点线路钢管塔设计、建设和运行中新技术、新工艺和新材料的应用，输电钢管塔的数量越来越多，钢管节点的局部稳定受到广泛关注。
传统的靴型板钢管节点在计算时并不将肋板在抗弯时按由主管壁与肋板组成T型断面考虑，而是将连接节点按受压杆连接肢端面中点沿杆轴线方向至轩杆的净距离与板件厚度的比值来进行稳定计算，未考虑连板高度与钢管直径的关系，也未明确考虑肋板受影响弧长。这样就导致结构在安全储备方面与预期效果存在偏差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，该方法避免了结构在安全储备方面与预期效果存在的偏差，有效的模拟了构件的实际受力情况，且计算过程简单明了，方便设计人员进行钢管节点局部稳定计算，使得输电钢管塔的结构更加可靠稳定，进而保证了输电钢管塔在工作状态中的可靠性与安全性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，所述钢管节点为钢管与肋板之间的连接节点；所述肋板包括与所述钢管同轴且焊接在钢管壁上的靴型肋板、分别同平面设置在所述靴型肋板两端上连接肋板和下连接肋板；所述肋板与所述连接节点两侧的钢管壁的横截面为T型断面；
所述确定方法包括如下步骤：
步骤1.计算所述钢管的横向力和弯矩；
步骤2.根据所述钢管的横向力和弯矩，分别计算所述上连接肋板和下连接肋板的作用力，并选择所述上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板；
步骤3.计算所述靴型肋板的轴力影响系数，并根据所述轴力影响系数计算所述钢管的局部变形承载力；
步骤4.分别计算所述连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力；
步骤5.比较所述钢管的局部变形承载力、所述连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力；其中的最小值与所述轴力影响系数的乘积即为所述钢管节点的承载力的值。
优选的，所述步骤1之前，包括：
测量所述钢管的直径、屈服力、偏心距离、内壁半径和钢管壁的厚度；分别测量所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力和夹角；测量所述肋板的厚度、所述上连接肋板和上连接肋板之间的高度；测量位于所述T型断面上的钢管壁的弧长；测量所述靴型肋板的轴力。
优选的，所述步骤1，包括：
1-1.根据所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力和夹角及所述钢管的直径和偏心距离，分别计算所述钢管的横向力和剪力；
1-2.根据所述钢管的剪力，计算所述钢管的弯矩。
优选的，所述步骤1-1，包括：
a.计算所述钢管的横向力P：
P＝F1*sinθ1+F2*sinθ2+F3*sinθ3；
b.计算所述钢管的剪力Q：
Q＝F1*cosθ1-F2*cosθ2-F3*cosθ3；
式中，F1、F2、F3分别为所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力，θ1、θ2、θ3分别为所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材夹角。
优选的，所述步骤1-2，包括：
根据所述钢管的剪力，计算所述钢管的弯矩M：
M＝Q*(D/2-e)*0.1；
式中，Q为所述钢管的剪力，D为所述钢管的直径，e为所述钢管得偏心距离。
优选的，所述步骤2，包括：
2-1.根据所述钢管的横向力和弯矩，计算所述上连接肋板的作用力Pv1：
Pv1＝M/B/0.1+P/2；
2-2.根据所述钢管的横向力P和弯矩M，计算所述下连接肋板的作用力Pv2：
Pv2＝-M/B/0.1+P/2
其中，P为所述钢管的横向力，M为所述钢管的弯矩，B为所述上连接肋板和上连接肋板之间的高度；
2-3.选择所述上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板。
优选的，所述步骤3，包括：
3-1.根据所述靴型肋板的轴力和所述钢管的屈服力，计算所述靴型肋板的轴力影响系数β：
β1＝1-(1.67N/Ny/1.5-0.67)2N/Ny/1.5；
若β1≤0.4，则β1的值即为轴力影响系数β的值；
若β1＞0.4，则轴力影响系数β的值为1；
式中，β1为所述靴型肋板的轴力影响系数β的参数值，N为所述靴型肋板的轴力，Ny为所述钢管的屈服力；
3-2.根据所述靴型肋板的轴力影响系数β，计算所述钢管的局部变形承载力Py1：
Py1＝21C*(0.1T)2*f*β/D；
式中，C为位于所述T型断面上的钢管壁的弧长，f为所述钢管的设计值，T为钢管壁的厚度，D为所述钢管的直径。
优选的，所述步骤4，包括：
4-1.计算所述T型断面的翼缘宽度；并根据所述翼缘宽度计算所述T型断面的面积比例；
4-2.根据所述T型断面的面积比例计算所述连接肋板的抗弯承载力，并计算所述连接肋板的抗剪承载力。
优选的，所述步骤4-1，包括：
c.计算所述T型断面的翼缘宽度Be：
d.计算所述T型断面的面积比例k：
k＝Be*T/R/tr；
式中，T为所述钢管壁的厚度，r为所述钢管的内壁半径，tr为所述肋板的厚度，R为所述T型断面上的肋板的高度。
优选的，所述步骤4-2，包括：
e.根据所述T型断面的面积比例计算所述连接肋板的抗弯承载力：
若所述T型断面的面积比例k≤1，则所述连接肋板的抗弯承载力Py2为：
Py2＝2(0.1R)2*tr*fr(1+2k-k2)/C；
若所述T型断面的面积比例k＞1，则所述连接肋板的抗弯承载力Py2为：
Py2＝4(0.1R)2*tr*fr/C；
f.计算所述连接肋板的抗剪承载力Py3：
式中，tr为所述肋板的厚度，fr为所述肋板的设计值，k为T型断面的面积比例，R为所述T型断面上的肋板的高度，C为位于所述T型断面上的钢管壁的弧长；
优选的，所述步骤5，包括：
所述钢管节点的计算承载力通过下式确定：
Py＝MIN(Py1，Py2，Py3)*β；
其中，Py为计算承载力。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，通过计算钢管的横向力和弯矩；分别计算上连接肋板和下连接肋板的作用力，并选择上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板；计算钢管的局部变形承载力和连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力,比较钢管的局部变形承载力、连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力，得到钢管节点的承载力的值。本发明提出的输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，该方法避免了结构在安全储备方面与预期效果存在的偏差，有效的模拟了构件的实际受力情况，且配合示意图后计算公式简单明了，方便设计人员进行钢管节点局部稳定计算，使得输电钢管塔的结构更加可靠稳定，进而保证了输电钢管塔在工作状态中的可靠性与安全性。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、本发明所提供的技术方案中，通过确定钢管的横向力和弯矩；分别计算上连接肋板和下连接肋板的作用力，并选择上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板；避免了结构在安全储备方面与预期效果存在的偏差，有效的模拟了构件的实际受力情况，使得输电钢管塔的结构更加可靠稳定。
2、本发明所提供的技术方案中，通过计算钢管的局部变形承载力和连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力，比较钢管的局部变形承载力、连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力，得到钢管节点的承载力的值；计算过程简单明了，方便设计人员进行钢管节点局部稳定计算，使得输电钢管塔的结构更加可靠稳定，进而保证了输电钢管塔在工作状态中的可靠性与安全性。
3、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法的流程图；
图2是输电钢管塔的肋板与连接节点两侧的钢管壁的横截面的示意图；
图3是本发明将肋板与连接节点两侧的钢管壁的横截面看做T型断面的等效示意图；
图4是输电钢管塔的钢管节点的实际受力示意图；
图5是本发明的钢管节点受力等效分解示意图；
图6是本发明的确定方法的步骤3的流程图；
图7是本发明的确定方法的步骤4的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至3所示，本发明提供一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，钢管节点为钢管与肋板之间的连接节点；肋板包括与钢管同轴且焊接在钢管壁上的靴型肋板、分别同平面设置在靴型肋板两端上连接肋板和下连接肋板；肋板与连接节点两侧的钢管壁的横截面为T型断面；
确定方法包括如下步骤：
步骤1.计算钢管的横向力和弯矩；
步骤2.根据钢管的横向力和弯矩，分别计算上连接肋板和下连接肋板的作用力，并选择上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板；
步骤3.计算靴型肋板的轴力影响系数，并根据轴力影响系数计算钢管的局部变形承载力；
步骤4.分别计算连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力；
步骤5.比较钢管的局部变形承载力、连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力；其中的最小值与轴力影响系数的乘积即为钢管节点的承载力的值。
步骤1之前，包括：
测量钢管的直径、屈服力、偏心距离、内壁半径和钢管壁的厚度；分别测量钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力和夹角；测量肋板的厚度、上连接肋板和上连接肋板之间的高度；测量位于T型断面上的钢管壁的弧长；测量靴型肋板的轴力。
如图4所示，步骤1，包括：
1-1.根据钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力和夹角及钢管的直径和偏心距离，分别计算钢管的横向力和剪力；
1-2.根据钢管的剪力，计算钢管的弯矩。
步骤1-1，包括：
a.计算钢管的横向力P：
P＝F1*sinθ1+F2*sinθ2+F3*sinθ3；
b.计算钢管的剪力Q：
Q＝F1*cosθ1-F2*cosθ2-F3*cosθ3；
式中，F1、F2、F3分别为钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力，θ1、θ2、θ3分别为钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材夹角。
步骤1-2，包括：
根据钢管的剪力，计算钢管的弯矩M：
M＝Q*(D/2-e)*0.1；
式中，Q为钢管的剪力，D为钢管的直径，e为钢管得偏心距离。
如图5所示，步骤2，包括：
2-1.根据钢管的横向力和弯矩，计算上连接肋板的作用力Pv1：
Pv1＝M/B/0.1+P/2；
2-2.根据钢管的横向力P和弯矩M，计算下连接肋板的作用力Pv2：
Pv2＝-M/B/0.1+P/2
其中，P为钢管的横向力，M为钢管的弯矩，B为上连接肋板和上连接肋板之间的高度；
2-3.选择上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板。
如图6所示，步骤3，包括：
3-1.根据靴型肋板的轴力和钢管的屈服力，计算靴型肋板的轴力影响系数β：
β1＝1-(1.67N/Ny/1.5-0.67)2N/Ny/1.5；
若β1≤0.4，则β1的值即为轴力影响系数β的值；
若β1＞0.4，则轴力影响系数β的值为1；
式中，β1为靴型肋板的轴力影响系数β的参数值，N为靴型肋板的轴力，Ny为钢管的屈服力；
3-2.根据靴型肋板的轴力影响系数β，计算钢管的局部变形承载力Py1：
Py1＝21C*(0.1T)2*f*β/D；
式中，C为位于T型断面上的钢管壁的弧长，f为钢管的设计值，T为钢管壁的厚度，D为钢管的直径。
如图7所示，步骤4，包括：
4-1.计算T型断面的翼缘宽度；并根据翼缘宽度计算T型断面的面积比例；
4-2.根据T型断面的面积比例计算连接肋板的抗弯承载力，并计算连接肋板的抗剪承载力。
步骤4-1，包括：
c.计算T型断面的翼缘宽度Be：
d.计算T型断面的面积比例k：
k＝Be*T/R/tr；
式中，T为钢管壁的厚度，r为钢管的内壁半径，tr为肋板的厚度，R为T型断面上的肋板的高度。
步骤4-2，包括：
e.根据T型断面的面积比例计算连接肋板的抗弯承载力：
若T型断面的面积比例k≤1，则连接肋板的抗弯承载力Py2为：
Py2＝2(0.1R)2*tr*fr(1+2k-k2)/C；
若T型断面的面积比例k＞1，则连接肋板的抗弯承载力Py2为：
Py2＝4(0.1R)2*tr*fr/C；
f.计算连接肋板的抗剪承载力Py3：
式中，tr为肋板的厚度，fr为肋板的设计值，k为T型断面的面积比例，R为T型断面上的肋板的高度，C为位于T型断面上的钢管壁的弧长。
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的说明，所属领域的普通技术人员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，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种输电钢管塔的钢管节点承载力的确定方法，所述钢管节点为钢管与肋板之间的连接节点；所述肋板包括与所述钢管同轴且焊接在钢管壁上的靴型肋板、分别同平面设置在所述靴型肋板两端上连接肋板和下连接肋板；其特征在于，所述肋板与所述连接节点两侧的钢管壁的横截面为T型断面；
所述确定方法包括如下步骤：
步骤1.计算所述钢管的横向力和弯矩；
步骤2.根据所述钢管的横向力和弯矩，分别计算所述上连接肋板和下连接肋板的作用力，并选择所述上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板；
步骤3.计算所述靴型肋板的轴力影响系数，并根据所述轴力影响系数计算所述钢管的局部变形承载力；
步骤4.分别计算所述连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力；
步骤5.比较所述钢管的局部变形承载力、所述连接肋板的抗弯承载力和抗剪承载力；其中的最小值与所述轴力影响系数的乘积即为所述钢管节点的承载力的值；
所述步骤1之前，包括：
测量所述钢管的直径、屈服力、偏心距离、内壁半径和钢管壁的厚度；分别测量所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力和夹角；测量所述肋板的厚度、所述上连接肋板和上连接肋板之间的高度；测量位于所述T型断面上的钢管壁的弧长；测量所述靴型肋板的轴力。
2.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤1，包括：
1-1.根据所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力和夹角及所述钢管的直径和偏心距离，分别计算所述钢管的横向力和剪力；
1-2.根据所述钢管的剪力，计算所述钢管的弯矩。
3.如权利要求2所述的确定方法，其特征在于，所述步骤1-1，包括：
a.计算所述钢管的横向力P：
P＝F1*sinθ1+F2*sinθ2+F3*sinθ3；
b.计算所述钢管的剪力Q：
Q＝F1*cosθ1-F2*cosθ2-F3*cosθ3；
式中，F1、F2、F3分别为所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材内力，θ1、θ2、θ3分别为所述钢管到不同位置的第一杆件、第二杆件和第三杆件之间的斜材夹角。
4.如权利要求2或3所述的确定方法，其特征在于，所述步骤1-2，包括：
根据所述钢管的剪力，计算所述钢管的弯矩M：
M＝Q*(D/2-e)*0.1；
式中，Q为所述钢管的剪力，D为所述钢管的直径，e为所述钢管得偏心距离。
5.如权利要求4所述的确定方法，其特征在于，所述步骤2，包括：
2-1.根据所述钢管的横向力和弯矩，计算所述上连接肋板的作用力Pv1：
Pv1＝M/B/0.1+P/2；
2-2.根据所述钢管的横向力P和弯矩M，计算所述下连接肋板的作用力Pv2：
Pv2＝-M/B/0.1+P/2
其中，P为所述钢管的横向力，M为所述钢管的弯矩，B为所述上连接肋板和上连接肋板之间的高度；
2-3.选择所述上连接肋板和下连接肋板中作用力的值较大的作为连接肋板。
6.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤3，包括：
3-1.根据所述靴型肋板的轴力和所述钢管的屈服力，计算所述靴型肋板的轴力影响系数β：
β1＝1-(1.67N/Ny/1.5-0.67)2N/Ny/1.5；
若β1≤0.4，则β1的值即为轴力影响系数β的值；
若β1＞0.4，则轴力影响系数β的值为1；
式中，β1为所述靴型肋板的轴力影响系数β的参数值，N为所述靴型肋板的轴力，Ny为所述钢管的屈服力；
3-2.根据所述靴型肋板的轴力影响系数β，计算所述钢管的局部变形承载力Py1：
Py1＝21C*(0.1T)2*f*β/D；
式中，C为位于所述T型断面上的钢管壁的弧长，f为所述钢管的设计值，T为钢管壁的厚度，D为所述钢管的直径。
7.如权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述步骤4，包括：
4-1.计算所述T型断面的翼缘宽度；并根据所述翼缘宽度计算所述T型断面的面积比例；
4-2.根据所述T型断面的面积比例计算所述连接肋板的抗弯承载力，并计算所述连接肋板的抗剪承载力。
8.如权利要求7所述的确定方法，其特征在于，所述步骤4-1，包括：
c.计算所述T型断面的翼缘宽度Be：
d.计算所述T型断面的面积比例k：
k＝Be*T/R/tr；
式中，T为所述钢管壁的厚度，r为所述钢管的内壁半径，tr为所述肋板的厚度，R为所述T型断面上的肋板的高度。
9.如权利要求8所述的确定方法，其特征在于，所述步骤4-2，包括：
e.根据所述T型断面的面积比例计算所述连接肋板的抗弯承载力：
若所述T型断面的面积比例k≤1，则所述连接肋板的抗弯承载力Py2为：
Py2＝2(0.1R)2*tr*fr(1+2k-k2)/C；
若所述T型断面的面积比例k＞1，则所述连接肋板的抗弯承载力Py2为：
Py2＝4(0.1R)2*tr*fr/C；
f.计算所述连接肋板的抗剪承载力Py3：
式中，tr为所述肋板的厚度，fr为所述肋板的设计值，k为T型断面的面积比例，R为所述T型断面上的肋板的高度，C为位于所述T型断面上的钢管壁的弧长。
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