CN106703498A - 一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，节点包括：单角钢一侧的十字交叉靴板、双角钢一侧的十字靴板、过渡板、单角钢主材、双角钢和加劲板；设计步骤为：I、计算靴板高度；II、计算靴板厚度；III、计算靴板宽度；IV、计算过渡板宽度；V、计算过渡板厚度。本发明综合考虑角钢主材的规格、上下两侧靴板的厚度、水平板的厚度和宽度等因素的影响，通过构建数值仿真模型和实体试验，研究不同设计参数对节点受力的影响，根据研究和试验数据总结归纳不同规格的角钢对应的设计参数，给出规范、系统的设计方法，为输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计提供依据。与设计现状相比，本发明具有更好的规范性和工程适用性。

Description

一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路杆塔结构设计，具体讲涉及一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法。

背景技术

在输电铁塔的设计过程中，尤其是设计电压等级较高或者同塔多回路的大荷载杆塔结构，主材的内力可能会超出现有最大规格单根角钢主材的承载能力。因为输电铁塔的受力特点，主材的上部受力较小，下部受力较大，设计中可能出现下面的结构，上部受力较小的主材是单根角钢，和下部受力较大的主材所需要的角钢规格超过了现有单根角钢的最大规格，因此不得不采用双拼组合角钢。上部的单根角钢和下部的双拼组合角钢在过渡部位的连接节点需要特殊设计。但目前有关输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计计算中，尚没有专门针对该类节点的统一的规范的设计计算方法。各个设计单位设计出的节点布置形式、尺寸差别较大。

这种情况下，不得不用两根角钢组合拼接在一起，用对角十字拼接或“T”形拼接，以满足结构承载力的要求。因为输电铁塔的受力特点，主材的上部受力较小，下部受力较大，此时下面的结构中，受力较大的下部主材需要用双拼组合角钢，而受力较小的上部主材是单根角钢。上部单根角钢和下部双拼组合角钢在过渡部位的连接节点需要特殊设计。

单双角钢过渡节点，其本身因为上下主材的截面不同，角钢型心不规则，连接螺栓单剪，造成靴板偏心受力；上下靴板有垂直支撑的部分，也有相互平行的部分，靴板传给过渡板的荷载分布不明确；同时节点满足相关的构造要求。因此，该类节点，传力复杂，节点受力状态不明确，设计计算缺乏理论依据。目前有关该类节点的设计计算，尚没有统一规范的设计计算方法。各个设计单位在设计时，都是根据自身的经验和理解进行设计，因此设计的过渡节点位置、形式、尺寸、材料均会不同，尤其是过渡板厚，差别很大。这种情况导致过渡节点的设计工作，过于依赖个人的经验和主观理解，缺乏延续性和规范性，从而导致工作效率低，存在安全隐患，设计水平参差不齐，设计人员为了安全考虑，进而使节点过于冗余、保守和复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计方法。本方法综合考虑角钢主材的规格、上下两侧靴板的厚度、水平板的厚度和宽度等因素的影响，根据研究和试验数据总结归纳不同规格的角钢对应的设计参数，给出规范、系统的设计方法，为输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计提供依据。

本发明的技术问题主要通过下述技术方案得以解决：

一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述节点包括：单角钢一侧的十字交叉靴板、双角钢一侧的十字靴板、过渡板、单角钢主材、双角钢和加劲板；设计步骤为：

I、计算靴板高度；

II、计算靴板厚度；

III、计算靴板宽度；

IV、计算过渡板宽度；

V、计算过渡板厚度。

进一步的，其特征在于，所述单角钢一侧的十字交叉靴板和双角钢一侧的十字靴板分别垂直焊接到所述过渡板的上下两侧；所述单角钢主材用螺栓与靴板连接，所述双角钢用螺栓与靴板连接；所述靴板和过渡板间焊接所述加劲板以防止靴板局部屈曲和应力集中。

进一步的，所述步骤I中靴板高度的计算方法包括：

根据角钢主材的内力计算螺栓的规格和数量，轴心受拉作用时，按照公式(1)计算；受拉、弯共同作用或压、弯共同作用时，按照公式(2)计算，

(1)式中：——受力最大的一个螺栓的拉力，N；

N——法兰所受的拉力，N；

n——法兰盘上螺栓数目；

(2)式中：M——法兰所受的弯矩，N·mm；

N——法兰所受的轴心作用力，N，压力时取用负值；

Y_i——螺栓中心到旋转轴的距离，mm；

确定螺栓的规格和数量后，由螺栓间距、端距、焊缝尺寸确定靴板的高度，按式(3)计算靴板高度，

h＝s+2e+f (3)

(3)式中h为靴板高度，s为螺栓在靴板高度方向的最大间距，e为螺栓端距，f为焊缝预留空间。

进一步的，所述步骤II中靴板厚度不小于14mm。

进一步的，所述步骤III中计算靴板宽度的方法为：

按公式(4)计算节点板材料达到屈服或破坏作为节点板的极限拉压承载力，

(4)式中：b_e为板件的有效宽度，t为板件厚度，N为承载力，f为材料的设计强度；

令靴板的承载力与其连接的角钢厚度承载力相同，确定靴板厚度，根据公式(4)计算出靴板所需的最小宽度；校核由强度计算得到的最小宽度是否满足构造要求的宽度，取所述最小宽度与构造要求的宽度二者的最大值；

用单角钢靴板和双角钢靴板宽度的最大值作为靴板宽度，并优化靴板厚度。

进一步的，所述步骤IV中过渡板的宽度与靴板宽度相同。

进一步的，所述步骤V中过渡板厚度的计算包括：按照塔脚板或加劲法兰计算初始值，计算节点的极限承载力，将得到不小于节点连接的主材的设计荷载作为节点的设计荷载。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明综合考虑角钢主材的规格、上下两侧靴板的厚度、水平板的厚度和宽度等因素的影响，通过构建数值仿真模型和实体试验，研究不同设计参数对节点受力的影响，根据研究和试验数据总结归纳不同规格的角钢对应的设计参数，给出规范、系统的设计方法，为输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计提供依据。与设计现状相比，该方法具有更好的规范性和工程适用性。

附图说明

图1为角钢塔单双角钢过渡节点结构示意图，通常情况下，单角钢在上，双角钢在下；

图2为图1中1-1剖视图；

图3为图1中2-2剖视图；

图4为螺栓间距、端距取值表格；

图5为单角钢靴板高度计算参数示意图，双角钢靴板同理；

图6为单双角钢过渡节点设计优化流程示意图；

其中：1-单角钢一侧的十字交叉靴板，2-双角钢一侧的十字靴板，3-过渡板，4-单角钢主材，5-双角钢，6-加劲板，7-螺栓，8-斜材。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对发明提供的技术方案做详细说明。

本发明提供了一种用于输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计方法。本方法综合考虑角钢主材的规格、上下两侧靴板的厚度、水平板的厚度和宽度等因素的影响，根据研究和试验数据总结归纳不同规格的角钢对应的设计参数，给出规范、系统的设计方法，为输电线路角钢塔单双角钢过渡节点的设计提供依据。本发明的特征在于，包括以下步骤：

1.结构形式

本方法给出该类节点的结构形式，如附图1所示，单角钢一侧的十字交叉靴板1和双角钢一侧的十字靴板2垂直(或有一定角度)焊接到过渡板3的上下两侧。单角钢主材4通过螺栓连接到靴板1，双角钢5通过螺栓连接到靴板2。靴板和过渡板的边缘，焊接加劲板6进行加强，防止靴板局部屈曲和应力集中。

2.靴板高度计算

根据角钢主材的内力计算螺栓的规格数量，轴心受拉作用时，按照公式(1)计算，受拉(压)、弯共同作用时，按照公式(2)计算。

式中：——受力最大的一个螺栓的拉力，N；

N——法兰所受的拉力，N；

n——法兰盘上螺栓数目；

式中：M——法兰所受的弯矩，N·mm；

N——法兰所受的轴心作用力，N，压力时取用负值；

Y_i——螺栓中心到旋转轴的距离，mm；

确定螺栓的规格和数量后，根据《输电线路铁塔制图和构造规定》，由螺栓间距、端距、焊缝尺寸等确定靴板的高度，见图4所示。计算公式见公式3，示意图见图5。

h＝s+2e+f (3)

h为靴板高度，s为螺栓在靴板高度方向的最大间距，e为螺栓端距，f为焊缝预留空间。

单角钢靴板和双角钢靴板同理。

3.靴板厚度

通过主材内力，计算螺栓的规格和数量，确定螺栓的排列方式。因此，根据构造规定，由螺栓间距、端距即可确定靴板的高度。单角钢一侧和双角钢一侧同理。靴板的宽度和厚度通过与其相连的角钢等强度设计确定，靴板通常要连接斜材，根据设计经验，单双过渡位置所连接斜材大多为L140×10或L140×12，因此根据构造规定，靴板厚度不小于14mm。

4.靴板宽度

确定了靴板厚度，即可通过等强度计算靴板宽度。该方法主要考虑节点板材料达到屈服或破坏作为节点板的极限拉压承载力状态。其承载力计算公式见公式(4)。

式中：b_e为板件的有效宽度；t为板件厚度，N为承载力，f为材料的设计强度。

根据上述公式，可以计算出水平板的最大有效宽度。按照等强度设计原则，令靴板的承载力与其连接的角钢厚度承载力相同，确定了靴板厚度以后，即可根据公式(4)计算出靴板所需的最小宽度，同时校核由强度计算得到的最小宽度是否满足构造要求的宽度，二者取最大值。

最终的靴板宽度取单角钢靴板满足构造和强度的最小宽度和双角钢靴板的最小宽度的最大值。利用该方法，在满足构造和强度要求的前提下，可以调整靴板厚度进行优化。

5.过渡板宽度和厚度

过渡板的宽度与靴板宽度相同。过渡板厚，可根据经验先行给定一个初始值，该初始值可按照塔脚板或加劲法兰的计算方法确定，然后通过计算或测量节点的极限承载力，除安全裕度(1.5)得到节点的设计荷载，该设计荷载不小于节点连接的主材的设计荷载，既满足要求。设计工作流程简图6所示。

同时水平板厚度大于上下两侧靴板厚度的最大值，通过验算确定过渡板的最终厚度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请特批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述节点包括：单角钢一侧的十字交叉靴板(1)、双角钢一侧的十字靴板(2)、过渡板(3)、单角钢主材(4)、双角钢(5)和加劲板(6)；设计步骤为：

I、计算靴板高度；

II、计算靴板厚度；

III、计算靴板宽度；

IV、计算过渡板宽度；

V、计算过渡板厚度。

2.如权利要求1所述的一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述单角钢一侧的十字交叉靴板(1)和双角钢一侧的十字靴板(2)分别垂直焊接到所述过渡板(3)的上下两侧；所述单角钢主材(4)用螺栓(7)与靴板(1)连接，所述双角钢(5)用螺栓(7)与靴板(2)连接；所述靴板和过渡板(3)间焊接所述加劲板(6)以防止靴板局部屈曲和应力集中。

3.如权利要求1所述的一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述步骤I中靴板高度的计算方法包括：

根据角钢主材的内力计算螺栓的规格和数量，轴心受拉作用时，按照公式(1)计算；受拉、弯共同作用或压、弯共同作用时，按照公式(2)计算，

$N_{tmax}^b=N/n\≤N_t^b---\left(1\right)$

(1)式中：——受力最大的一个螺栓的拉力，N；

N——法兰所受的拉力，N；

n——法兰盘上螺栓数目；

$N_{tmax}^b=\frac{M\·Y_1}{{{\mathrm{\ΣY}}_i}^2}\±\frac{N}{n}\≤N_t^b---\left(2\right)$

(2)式中：M——法兰所受的弯矩，N·mm；

N——法兰所受的轴心作用力，N，压力时取用负值；

Y_i——螺栓中心到旋转轴的距离，mm；

确定螺栓的规格和数量后，由螺栓间距、端距、焊缝尺寸确定靴板的高度，

按式(3)计算靴板高度，

h＝s+2e+f (3)

(3)式中h为靴板高度，s为螺栓在靴板高度方向的最大间距，e为螺栓端距，f为焊缝预留空间。

4.如权利要求1所述的一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述步骤II中靴板厚度不小于14mm。

5.如权利要求4所述的一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述步骤III中计算靴板宽度的方法为：

按公式(4)计算节点板材料达到屈服或破坏作为节点板的极限拉压承载力，

$\mathrm{\σ}=\frac{N}{b_{e}t}\≤f---\left(4\right)$

(4)式中：b_e为板件的有效宽度，t为板件厚度，N为承载力，f为材料的设计强度；

令靴板的承载力与其连接的角钢厚度承载力相同，确定靴板厚度，根据公式(4)计算出靴板所需的最小宽度；校核由强度计算得到的最小宽度是否满足构造要求的宽度，取所述最小宽度与构造要求的宽度二者的最大值；

用单角钢靴板和双角钢靴板宽度的最大值作为靴板宽度，并优化靴板厚度。

6.如权利要求1所述的一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述步骤IV中过渡板的宽度与靴板宽度相同。

7.如权利要求1所述的一种输电线路角钢塔单双角钢过渡节点设计方法，其特征在于，所述步骤V中过渡板厚度的计算包括：按照塔脚板或加劲法兰计算初始值，计算节点的极限承载力，将得到不小于节点连接的主材的设计荷载作为节点的设计荷载。