CN106760876B - 采动区输电铁塔可滑动变形节点装置及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置及其设计方法，节点板的右部上方延伸出有连接臂，可滑动杆件的左部设置有长圆孔滑道，一对连接杆件的左部分别位于连接臂的前后两侧且通过连接螺栓连接，一对连接杆件的右部分别位于可滑动杆件左部的前后两侧，一对连接杆件的右部之间固定连接有穿过所述长圆孔滑道的连接螺栓，在位于长圆孔滑道中的相邻的两个连接螺栓之间设置有滑块。方法，包括，建立有限元计算模型；确定塔架支座的位移方式和大小；计算出节点所处可滑移杆件在各种上部荷载条件下的轴力最大值；得到节点所处可滑移杆件所能承受的最大压力设计值。该装置能提高整体结构的变形能力，该设计方法能设计出能满足工程实践的要求的抗变形结构。

Description

采动区输电铁塔可滑动变形节点装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及输电线路的铁塔建造技术领域，具体涉及一种采动区输电铁塔可滑动变形节点的装置及其设计方法。
背景技术
随着我国对能源需求量的增加，以煤炭为主的矿产开采和跨区域的输电工程都势在必行，所以跨越采空区的输电工程将无法避免，因此进行采动区输电结构的保护研究，确保煤矿采空区输电杆塔结构安全可靠和输电线路安全运行，具有重要的意义。
处于采空区的输电铁塔，在发生地表变形后，铁塔杆件会产生较大的应力，并由此产生相应的应变来平衡变形。另一方面，由于塔架大多采用由螺栓连接的角钢作为主材和斜材，杆件端部的螺栓群连接处会出现较大的应力集中。所以，处于采空区的塔架节点破坏是目前观测到的主要破坏形式之一。应力集中是节点撕裂的主要原因，其破坏形式属脆性破坏，会导致材料本身的利用率较低。局部破坏发生后，如无及时修复，会影响整塔的承载力，继而影响整条线路的安全运行。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置及其设计方法，该装置在基础出现不均匀变形后，能为结构杆件提供安全变形裕度，又能保证整体结构的稳定和避免杆件受力条件变化导致的突变，从而能提高整体结构的变形能力，该设计方法能设计出满足工程实践要求的抗变形结构，具有广泛的实用性。
为了实现上述目的，本发明提供一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置，包括节点板、纵向伸展的主材、由左向右斜向下伸展的斜材和可滑动杆件和一对连接杆件，节点板的左部通过多个连接螺栓与所述主材的中部固定连接，所述节点板的右部上方延伸出有向右伸展的连接臂，节点板的右部下方与所述斜材的上端固定连接，所述可滑动杆件的左部设置有横向延伸的长圆孔滑道，一对连接杆件的左部分别位于所述连接臂的前后两侧，一对连接杆件的右部分别位于所述可滑动杆件左部的前后两侧，所述连接臂通过连接螺栓与一对连接杆件的左部固定连接，一对连接杆件的右部之间固定连接有多个穿过所述长圆孔滑道的连接螺栓，一对连接杆件之间在位于所述长圆孔滑道中的相邻的两个连接螺栓之间设置有与所述长圆孔滑道相滑动配合的滑块。
通过可滑动杆件上长圆孔滑道的设置，并使一对连接杆件之间右部的连接螺栓穿过长圆孔滑道，能使可滑动杆件与一对连接杆件之间具有一定的滑动区间，从而能通过滑移的方式降低或消除塔架节点处的应力集中情况，能使杆件在基础变形附加内力的工况下具有可滑动变形能力，进而能使塔架结构在变形前后都能维持良好的稳定性和安全性，并能够有效减小采动区地表变形对上部输电铁塔的影响，能减少结构中可滑动变形时发生的荷载冲量，进而能确保超高压输电线路铁塔在地表变形过程中的安全，其可靠性高。滑块设置在相邻的两个连接螺栓之间，能一步保证滑移过程中的传力可靠，并且能增加相互之间摩擦配合的有效面积，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。本发明在基础出现不均匀变形后，能为结构杆件提供安全变形裕度，又能保证整体结构的稳定和避免杆件受力条件变化导致的突变，进而能提高整体结构的变形能力。该装置适用于采动区节点容易发生破坏的输电铁塔，对确保输电线路杆塔的安全具有重要的意义。
进一步，为保证滑块和连接螺栓之间的传力可靠，并且能增加相互之间摩擦配合的有效面积，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。所述滑块的左端和右端分别设置有向内凹陷的与所述连接螺栓外径相适配的弧形凹槽，滑块左端和右端的凹槽分别卡套在其左侧和右侧的连接螺栓外部。
进一步，为了保证连接螺栓在长圆孔滑道中滑移的过程中能依靠摩擦力继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。所述连接螺栓的外径与所述长圆孔滑道的尺寸相适配，连接螺栓的外壁与所述长圆孔滑道的内壁摩擦型连接。
进一步，为了能增加相互之间摩擦配合的有效面积，进而提高抗变形能力和承重能力，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。所述一对连接杆件右部之间至少连接有三个穿过所述长圆孔滑道的连接螺栓，且至少有两个滑块设置在每相邻的两个连接螺栓之间。
进一步，为了保证承重强度，所述节点板和可滑动杆件均采用Q235或Q345标准的钢材制成。
进一步，为了保证摩擦力大小，所述连接杆件采用的钢材标准不低于节点板的钢材标准。
进一步，为了能增加相互之间摩擦配合的有效面积，所述节点板、可滑动杆件和连接杆件表面采用热镀锌工艺进行处理。
本发明还提供一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置的设计方法，包括以下步骤，
步骤一：结合典型输电铁塔，建立有限元计算模型；
步骤二：在已知地表变形预计值条件下，确定塔架支座的位移方式和大小，并根据可能发生的位移，通过结构分析找出敏感杆件，确定节点放置的具体位置；
步骤三：计算出节点所处可滑移杆件在各种上部荷载条件下的轴力最大值，以确保节点在各种上部荷载组合条件下不发生滑移，保证结构在支座未发生位移时的稳定性；
步骤四：根据杆件材性和截面尺寸得到节点所处可滑移杆件所能承受的最大压力设计值；
步骤五：根据公式 确定可滑动杆件的滑移临界力设计值，
式中：Pmax为节点所处杆件在各种上部荷载条件下的轴力最大值，单位为kN；
[P]为节点所处杆件所能承受的最大压力设计值，单位为kN。
P s为可滑动变形节点的滑移临界力设计值，单位为kN。
该设计方法能计算出节点所处可滑移杆件所能承受的最大压力设计值，能确定可滑动杆件的滑移临界力设计值，从而能设计出能满足工程实践的要求的抗变形结构，具有广泛的实用性。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A向剖视图；
图3是本发明中节点板的结构示意图；
图4是本发明中连接杆件的结构示意图；
图5是本发明中可滑动杆件的连接示意图；
图6是本发明中滑块的主视图；
图7是图6的俯视图。
图中：1、主材，2、节点板，3、斜材，4、可滑动杆件，5、连接杆件，6、滑块，7、连接螺栓，8、长圆孔滑道，9、连接臂，10、凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图7所示，一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置，包括节点板2、纵向伸展的主材1、由左向右斜向下伸展的斜材3和可滑动杆件4和一对连接杆件5，节点板2的左部通过多个连接螺栓7与所述主材1的中部固定连接，所述节点板2的右部上方延伸出有向右伸展的连接臂9，节点板2的右部下方与所述斜材3的上端固定连接，所述可滑动杆件4的左部设置有横向延伸的长圆孔滑道8，一对连接杆件5的左部分别位于所述连接臂9的前后两侧，一对连接杆件5的右部分别位于所述可滑动杆件4左部的前后两侧，所述连接臂9通过连接螺栓7与一对连接杆件5的左部固定连接，一对连接杆件5的右部之间固定连接有多个穿过所述长圆孔滑道8的连接螺栓7，一对连接杆件5之间在位于所述长圆孔滑道8中的相邻的两个连接螺栓7之间设置有与所述长圆孔滑道8相滑动配合的滑块6。
该装置通过可滑动杆件4上长圆孔滑8道的设置，并使一对连接杆件5之间右部的连接螺栓7穿过长圆孔滑道8，能使可滑动杆件4与一对连接杆件5之间具有一定的滑动区间，从而能通过滑移的方式降低或消除塔架节点处的应力集中情况，能使杆件在基础变形附加内力的工况下具有可滑动变形能力，进而能使塔架结构在变形前后都能维持良好的稳定性和安全性，并能够有效减小采动区地表变形对上部输电铁塔的影响，能减少结构中可滑动变形时发生的荷载冲量，进而能确保超高压输电线路铁塔在地表变形过程中的安全，其可靠性高。滑块6设置在相邻的两个连接螺栓7之间，能一步保证滑移过程中的传力可靠，并且能增加相互之间摩擦配合的有效面积，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。本发明在基础出现不均匀变形后，能为结构杆件提供安全变形裕度，又能保证整体结构的稳定和避免杆件受力条件变化导致的突变，进而能提高整体结构的变形能力。该装置适用于采动区节点容易发生破坏的输电铁塔，对确保输电线路杆塔的安全具有重要的意义。
进一步，为保证滑块6和连接螺栓7之间的传力可靠，并且能增加相互之间摩擦配合的有效面积，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。如图6和图7所示，所述滑块6的左端和右端分别设置有向内凹陷的与所述连接螺栓7外径相适配的弧形凹槽10，滑块6左端和右端的凹槽10分别卡套在其左侧和右侧的连接螺栓7外部。
进一步，为了保证连接螺栓7在长圆孔滑道8中滑移的过程中能依靠摩擦力继续承担一定的荷载，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。所述连接螺栓7的外径与所述长圆孔滑道8的尺寸相适配，连接螺栓7的外壁与所述长圆孔滑道8的内壁摩擦型连接。
进一步，为了能增加相互之间摩擦配合的有效面积，进而提高抗变形能力和承重能力，使得发生连接滑移后依靠摩擦力可继续承担一定的荷载，保证节点在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以自动变形以降低或消除应力集中，继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围的变形能力。所述一对连接杆件5右部之间至少连接有三个穿过所述长圆孔滑道8的连接螺栓7，且至少有两个滑块6设置在每相邻的两个连接螺栓7之间。
进一步，为了保证承重强度，所述节点板2和可滑动杆件4均采用Q235或Q345标准的钢材制成。
进一步，为了保证摩擦力大小，所述连接杆件5采用的钢材标准不低于节点板2的钢材标准。
进一步，为了能增加相互之间摩擦配合的有效面积，所述节点板2、可滑动杆件4和连接杆件5表面采用热镀锌工艺进行处理。同时，这样处理也能防锈。
一个优选方案，如图4所示，所述连接杆件5的左部设置有两个螺栓孔，连接杆件5的右部设置有三个螺栓孔。如图3所示，节点板2的左部纵向相间隔地设置有4个用于与所述主材1相连接的螺栓孔，节点板2右部上方的连接臂9的横向上设置有2个用于所述连接杆件5左部相连接的螺栓孔，节点板2右部下方设置有一个与斜材3相连的螺栓孔。
一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置的设计方法，包括以下步骤，
步骤一：结合典型输电铁塔，建立有限元计算模型；
步骤二：在已知地表变形预计值条件下，确定塔架支座的位移方式和大小，并根据可能发生的位移，通过结构分析找出敏感杆件，确定节点放置的具体位置；
步骤三：计算出节点所处可滑移杆件在各种上部荷载条件下的轴力最大值，以确保节点在各种上部荷载组合条件下不发生滑移，保证结构在支座未发生位移时的稳定性；
步骤四：根据杆件材性和截面尺寸得到节点所处可滑移杆件所能承受的最大压力设计值；
步骤五：根据公式确定可滑动杆件的滑移临界力设计值，
式中：P max为节点所处杆件在各种上部荷载条件下的轴力最大值，单位为kN；
[P]为节点所处杆件所能承受的最大压力设计值，单位为kN。
P s为可滑动变形节点的滑移临界力设计值，单位为kN。
该设计方法能计算出节点所处可滑移杆件所能承受的最大压力设计值，能确定可滑动杆件的滑移临界力设计值，从而能设计出能满足工程实践的要求的抗变形结构，具有广泛的实用性。
本发明可以在采动区铁塔基础出现不均匀变形后，充分利用螺栓连接节点的滑移、螺栓孔壁受压变形等现象而导致杆件的实际长度发生变化，同时加入可控条件，使得杆件连接在正常受荷状态保持其连接稳定性，又可以通过自动变形以降低或消除应力集中，以能继续维持整体结构的稳定性和安全性，从而赋予铁塔结构一定范围内的变形能力。

Claims (4)

1.一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置，包括节点板（2）、纵向伸展的主材（1）和由左向右斜向下伸展的斜材（3），节点板（2）的左部通过多个连接螺栓（7）与所述主材（1）的中部固定连接，所述节点板（2）的右部上方延伸出有向右伸展的连接臂（9），节点板（2）的右部下方与所述斜材（3）的上端固定连接，其特征在于，还包括可滑动杆件（4）和一对连接杆件（5），所述可滑动杆件（4）的左部设置有横向延伸的长圆孔滑道（8），一对连接杆件（5）的左部分别位于所述连接臂（9）的前后两侧，一对连接杆件（5）的右部分别位于所述可滑动杆件（4）左部的前后两侧，所述连接臂（9）通过连接螺栓（7）与一对连接杆件（5）的左部固定连接，一对连接杆件（5）的右部之间固定连接有多个穿过所述长圆孔滑道（8）的连接螺栓（7），一对连接杆件（5）之间在位于所述长圆孔滑道（8）中的相邻的两个连接螺栓（7）之间设置有与所述长圆孔滑道（8）相滑动配合的滑块（6）；
所述滑块（6）的左端和右端分别设置有向内凹陷的与所述连接螺栓（7）外径相适配的弧形凹槽（10），滑块（6）左端和右端的凹槽（10）分别卡套在其左侧和右侧的连接螺栓（7）外部；
所述连接螺栓（7）的外径与所述长圆孔滑道（8）的尺寸相适配，连接螺栓（7）的外壁与所述长圆孔滑道（8）的内壁摩擦型连接；
所述一对连接杆件（5）右部之间至少连接有三个穿过所述长圆孔滑道（8）的连接螺栓（7），且至少有两个滑块（6）设置在每相邻的两个连接螺栓（7）之间。
2.根据权利要求1所述的一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置，其特征在于，所述节点板（2）和可滑动杆件（4）均采用Q235或Q345标准的钢材制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置，其特征在于，所述连接杆件（5）采用的钢材标准不低于节点板（2）的钢材标准。
4.根据权利要求3所述的一种采动区输电铁塔可滑动变形节点装置，其特征在于，所述节点板（2）、可滑动杆件（4）和连接杆件（5）表面采用热镀锌工艺进行处理。
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