CN107063845B - 输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置及测量方法，涉及输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载方法和装置以及测量方法技术领域。所述装置包括左右两个竖直固定在地面上的反作用力墙，其中的一个反作用力墙的内侧安装有四个液压缸，液压缸动力输出端上固定有刚性连接板，所述刚性连接板上固定有连接角钢，连接角钢分别与铁塔模型四根主材角钢的一端通过螺栓固定连接，铁塔模型四根主材角钢的另一端与另一个反作用力墙固定连接，连接角钢与主材角钢之间设有垫层；每根主材角钢的两肢上按一定规律粘贴4个应变片。所述装置通过对主材角钢的偏心加载，实现在输电铁塔主材角钢上轴力与弯矩的协调加载。

Description

输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置及测量方法

技术领域

本发明涉及输电铁塔主材实验装置及测量方法技术领域，尤其涉及一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载方法和装置以及测量方法技术领域。

背景技术

传统的输电铁塔结构实验通常是通过建立铁塔整体的全尺寸或缩比实验模型，利用实验装置将外界载荷施加在节点上，进而研究其力学模型。然而在实验室条件下研究输电铁塔节点对结构整体的力学性能影响时，通常需要建立输电铁塔的局部模型，再通过施加载荷以模拟输电铁塔整体的受力状况，此时载荷边界条件对结构整体影响较大。输电铁塔是典型的空间桁架结构，杆件受力以轴向载荷为主，但同时也伴随着一定的弯矩作用，而偏心产生的附加弯矩对铁塔构件的承载力有不利影响。因此采用局部模型研究铁塔的受力状况时，不可忽略附加弯矩对铁塔结构的影响，需要在角钢上同时施加轴向载荷和弯矩，然而目前没有同时协调施加主材角钢轴力和弯矩的实验方法和装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置及测量方法，所述装置通过对主材角钢的偏心加载，实现在输电铁塔主材角钢上轴力与弯矩的协调加载，并通过粘贴应变片测量主材角钢上实际所受的轴向载荷与弯矩，以验证测量方法与装置的正确性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载方法及装置，其特征在于：包括左右两个竖直固定在地面上的反作用力墙，其中的一个反作用力墙的内侧安装有四个液压缸，液压缸动力输出端上固定有刚性连接板，所述刚性连接板上焊接有强度较高的连接角钢，连接角钢分别与铁塔模型四根主材角钢的一端通过螺栓固定连接，铁塔模型四根主材角钢的另一端与另一个反作用力墙固定连接，连接角钢与主材角钢之间设有垫层，通过改变所述垫层厚度调节二者之间的偏心距离，使主材角钢偏心受力；每根主材角钢的两肢上按一定规律粘贴4个应变片，通过测量与计算得到主材角钢实际受到的轴力与附加弯矩，以验证施加的轴力与附加弯矩是否正确。

进一步的技术方案在于：所述液压缸采用双作用液压缸，能够施加拉力和压力，且内部设有油压实时采集装置，可实时采集油压值。

进一步的技术方案在于：所述连接角钢的螺栓孔位于角钢主惯性轴与角钢两肢的交点处，使连接角钢实现轴心受力。

进一步的技术方案在于：所述主材角钢上设有槽型孔，连接角钢与主材角钢之间通过螺栓固定连接。

本发明还公开了一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于包括如下步骤：

在所述装置的主材角钢两肢上安装应变片；

采用半桥接线法多次将应变片接入应变仪，读取应变仪读数；

根据应变仪读数计算主材角钢的轴力P、角钢主惯性轴z的附加弯矩M_z和角钢主惯性轴y的附加弯矩M_y。

进一步的技术方案在于：所述应变片安装方法如下：

应变片a和应变片b分别粘贴在主材角钢主惯性轴y与主材角钢两肢的交点处，二者与角钢顶点O'的距离均为m；

应变片c和应变片d相对于主惯性轴z轴对称布置，距离O'点的距离均为n；

以上4个应变片的粘贴方向均沿角钢轴线方向。

进一步的技术方案在于：采用半桥接线法多次将应变片接入应变仪，读取应变仪读数的方法如下：

在进行测量时，只在电桥的AB段和BC段接应变片，而在AD和CD段连接应变仪内部的两个阻值相等的固定电阻；在此情况下，由于

R₁＝R₂＝R R₃＝R₄ΔR₃＝ΔR₄＝0 (1)

所以，由式(1)可知，电桥的输出电压为

则应变仪的读数为

同理，若在电桥的AB段和CD段接应变片，而在AD和BC段连接应变仪内部的两个阻值相等的固定电阻，此时应变仪的读数为：

进一步的技术方案在于：所述主材角钢的轴力P的计算方法如下：

角钢构件在偏心的外载荷的作用下，其横截面上存在的内力分量有：轴力P，附加弯矩M_y和附加弯矩M_z；

根据叠加原理可知，偏心受力构件横截面上各点都为单向应力状态，其测点处正应力的理论计算公式为拉伸应力和弯矩正应力的代数和，即：

根据胡克定律可知，其测点处正应力的测量计算公式为材料的弹性模量E与测点处正应变的乘积，即：

σ＝E·ε (6)

主惯性轴y轴通过应变片粘贴位置，因此弯矩M_y将不会对应变片粘贴位置处应力产生影响，内力中只有轴力P和弯矩M_z影响该处应力的大小，应变均由拉伸和弯曲两种应变成分组成，即：

其中分别表示由液压缸拉伸、弯曲所产生的拉应变、弯曲应变的绝对值；

对公式(7)和(8)联立求解，得出轴力P产生的应变ε_P为；

将应变片a接入到应变仪AB段，应变片b接入到应变仪CD段，由式(4)得应变仪的读数为：

ε₁＝ε_a+ε_b (10)

则

根据公式(5)、(6)和(11)联立求解，计算出附加弯矩轴力P为：

进一步的技术方案在于：所述附加弯矩M_z的计算方法如下：

对公式(7)和(8)联立求解，得出附加弯矩M_z产生的应变为；

将应变片b接入到应变仪AB段，应变片a接入到应变仪BC段，则应变仪的读数为：

ε₂＝ε_b-ε_a (14)

则

根据公式(5)、(6)和(15)联立求解，计算出附加弯矩M_z为：

其中

则

进一步的技术方案在于：所述附加弯矩M_y的计算方法如下：

因在应变片c和应变片d的位置，主材角钢内力中则有轴力P、附加弯矩M_y和附加弯矩M_z影响应变片c和应变片d处应力的大小，应变均由拉伸和弯曲两种应变成分组成，即：

其中ε_P代表轴向应力产生的轴向应变；代表附加弯矩M_y产生的弯曲应变；/>代表附加弯矩M_z产生的弯曲应变；

由式(18)和(19)联立求解，得出附加弯矩M_y产生的应变为：

将应变片c接入到应变仪AB段，将应变片d接入到应变仪CD段，由式(4)得应变仪的读数为：

ε₃＝ε_c+ε_d (21)

由于在在角钢同一截面上，各点的轴向应力相同，因此可根据式(11)、(20)和(21)联立求解，计算出附加弯矩M_y产生的应变为：

由式(5)、(6)和(22)联立求解，计算出附加弯矩M_y为：

其中

则

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置通过对主材角钢的偏心加载，实现在输电铁塔主材角钢上轴力与弯矩的协调加载，并通过粘贴应变片测量主材角钢上实际所受的轴向载荷与弯矩，以验证测量方法与装置的正确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述装置的立体结构示意图；

图2为铁塔主材角钢与连接角钢的局部放大结构示意图；

图3为图2中A-A处的剖视结构示意图；

图4为主材角钢上应变片的布片方式示意图；

图5半桥接线法原理示意图；

其中：1、底座；2、支撑架；3、反作用力墙；4、液压缸；5、刚性连接板；6、连接角钢；7、主材角钢；8、铁塔辅材；9、根部主材角钢10、调整垫层；11、连接角钢的圆型孔；12、主材角钢的槽型孔；y₁、连接角钢的主惯性轴；y₂、主材角钢的主惯性轴；z₁、连接角钢的主惯性轴；z₂、主材角钢的主惯性轴；O₁、连接角钢的形心；O₂、主材角钢的形心；e₁、右侧调节垫层的厚度；e₂、左侧调节垫层的厚度；e₃、连接角钢与主材角钢轴线的偏心距离。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置及测量方法，包括左右两个竖直的反作用力墙3，所述反作用力墙3的下侧连接有水平设置的底座1，所述底座1与地面固定连接，底座1与反作用力墙3之间设置有倾斜的支撑架。如图2和图3所示，其中的一个反作用力墙3的内侧安装有四个液压缸4，液压缸4动力输出端上固定有刚性连接板5，所述刚性连接板5上固定有连接角钢6，连接角钢6分别与铁塔模型四根主材角钢7的一端通过螺栓固定连接，铁塔模型四根主材角钢7的另一端与另一个反作用力墙3固定连接，连接角钢6与主材角钢7之间设有垫层10，通过改变所述垫层10厚度调节二者之间的偏心距离，使主材角钢7偏心受力；每根主材角钢的两肢上按一定规律粘贴4个应变片，通过测量与计算得到主材角钢7实际受到的轴力与弯矩，以验证施加的轴力与弯矩是否正确。

液压缸4需采用双作用液压缸，可以实现对铁塔主材角钢施加拉力或压力；液压缸可多方位调整安装位置，以适用于不同尺寸的铁塔模型。连接角钢6采用强度远高于铁塔主材角钢的金属材料，并将其右端两肢焊接在刚性连接板上，使得连接角钢轴心受力，并实现连接角钢与刚性连接板的多次使用以及可拆卸功能。

连接角钢的螺栓孔位于角钢主惯性轴与角钢两肢的交点处，使连接角钢6实现轴心受力；而主材角钢7采用槽型孔，便于调节二者之间连接螺栓的位置。连接角钢与主材角钢通过调整垫层厚度e₁与e₂确定二者之间的偏心距离，进而调节连接角钢与主材角钢轴线的偏心距离e₃，使主材角钢偏心受力，产生附加弯矩M。当垫层厚度分别变化Δe₁与Δe₂时，则连接角钢与主材角钢轴线的偏心距离变化

所述装置通过对主材角钢的偏心加载，实现在输电铁塔主材角钢上轴力与弯矩的协调加载，并通过粘贴应变片测量主材角钢上实际所受的轴向载荷与弯矩，以验证测量方法与装置的正确性。

本发明还公开了一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，包括如下步骤：

在前述装置的主材角钢两肢上安装应变片(应变片可以粘贴在任意一根主材角钢上)；

采用半桥接线法多次将应变片接入应变仪，读取应变仪读数；

根据应变仪读数计算主材角钢的轴力P、角钢主惯性轴z的附加弯矩M_z和角钢主惯性轴y的附加弯矩M_y。

优选的，确定应变片粘贴位置的方法主要包括如下步骤：

1)应变片a和应变片b分别粘贴在主材角钢主惯性轴y与主材角钢两肢的交点处，二者与主材角钢顶点O'的距离均为m，如图4所示；

2)应变片c和应变片d相对于主材角钢主惯性轴z轴对称布置，距离主材角钢顶点O'点的距离均为n；

3)以上4个应变片的粘贴方向均沿角钢轴线方向。

优选的，下面结合图5对半桥接线法原理进行说明：

1)在进行测量时，有时只在电桥的AB段和BC段接应变片，而在AD和CD段连接应变仪内部的两个阻值相等的固定电阻。在此情况下，由于

2)R₁＝R₂＝R R₃＝R₄ΔR₃＝ΔR₄＝0 (1)

3)所以，由式(1)可知，电桥的输出电压为

5)则应变仪的读数为

6)

7)同理，若在电桥的AB段和CD段接应变片，而在AD和BC段连接应变仪内部的两个阻值相等的固定电阻，此时应变仪的读数为：

8)

优选的，输电铁塔主材角钢的轴力P的求解流程主要包括如下步骤：

1)角钢构件在偏心的外载荷的作用下，其横截面上存在的内力分量有：轴力P，弯矩M_y和弯矩M_z。

2)根据叠加原理可知，偏心受力构件横截面上各点都为单向应力状态，其测点处正应力的理论计算公式为拉伸应力和弯矩正应力的代数和，即：

3)

4)根据胡克定律可知，其测点处正应力的测量计算公式为材料的弹性模量E与测点处正应变的乘积，即：

5)σ＝E·ε(6)

6)因图4中应变片a、应变片b的位置，且主惯性轴y轴通过应变片粘贴位置，因此弯矩M_y将不会对应变片粘贴位置处应力产生影响，内力中只有轴力P和弯矩M_z影响该处应力的大小，应变均由拉伸和弯曲两种应变成分组成，即：

7)

8)

9)其中ε_P、分别表示由拉伸、弯曲所产生的拉应变、弯曲应变的绝对值。

10)对公式(7)和(8)联立求解，得出轴力P产生的应变ε_P为；

11)

12)将应变片a接入到AB段，应变片b接入到CD段，由式(4)得应变仪的读数为：

13)ε₁＝ε_a+ε_b (10)

14)则

15)根据公式(5)、(6)和(11)联立求解，计算出附加弯矩轴力P为：

16)

优选的，输电杆塔主材角钢附加弯矩M_z的求解流程主要包括如下步骤：

1)对公式(7)和(8)联立求解，得出附加弯矩M_z产生的应变为；

2)

3)将应变片b接入到AB段，应变片a接入到BC段，则应变仪的读数为：

4)ε₂＝ε_b-ε_a (14)

5)则

6)根据公式(5)、(6)和(15)联立求解，计算出附加弯矩M_z为：

7)

8)其中

9)则

优选的，输电杆塔主材角钢附加弯矩M_y的求解流程主要包括如下步骤：

1)在图4中应变片c、应变片d的位置，内力中则有轴力P、附加弯矩M_y和附加弯矩M_z影响该处应力的大小，应变均由拉伸和弯曲两种应变成分组成，即：

2)

3)

4)其中ε_P代表轴向应力产生的轴向应变；代表附加弯矩M_y产生的弯曲应变；/>代表附加弯矩M_z产生的弯曲应变；

5)由式(18)和(19)联立求解，得出附加弯矩M_y产生的应变为：

6)

7)将应变片c接入到AB段，将应变片d接入到CD段，由式(4)得应变仪的读数为：

8)ε₃＝ε_c+ε_d (21)

9)由于在在角钢同一截面上，各点的轴向应力相同，因此可根据式(11)、(20)和(21)联立求解，计算出附加弯矩M_y产生的应变为：

10)

11)由式(5)、(6)和(22)联立求解，计算出附加弯矩M_y为：

12)

13)其中

14)则

此时，通过应变片的测量与计算，已求出主材角钢上实际承受的轴力P、附加弯矩M_y和附加弯矩M_z，将其与施加的轴力P和弯矩M作对比，以检测施加载荷与弯矩的正确性。

Claims (6)

1.一种输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于，所述输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法应用于输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置，所述输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置包括左右两个竖直固定在地面上的反作用力墙(3)，其中的一个反作用力墙(3)的内侧安装有四个液压缸(4)，液压缸(4)动力输出端上固定有刚性连接板(5)，所述刚性连接板(5)上固定有连接角钢(6)，连接角钢(6)分别与铁塔模型四根主材角钢(7)的一端通过螺栓固定连接，铁塔模型四根主材角钢(7)的另一端与另一个反作用力墙(3)固定连接，连接角钢(6)与主材角钢(7)之间设有垫层(10)，通过改变所述垫层(10)厚度调节二者之间的偏心距离，使主材角钢(7)偏心受力；每根主材角钢的两肢上按一定规律粘贴4个应变片，通过测量与计算得到主材角钢(7)实际受到的轴力与附加弯矩，以验证施加的轴力与附加弯矩是否正确；

输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法包括如下步骤：

在所述输电铁塔主材角钢轴力与弯矩协调加载装置的主材角钢两肢上安装应变片；

采用半桥接线法多次将应变片接入应变仪，读取应变仪读数；

根据应变仪读数计算主材角钢的轴力P、角钢主惯性轴z的附加弯矩M_z和角钢主惯性轴y的附加弯矩M_y。

2.如权利要求1所述的输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于，所述应变片安装方法如下：

应变片a和应变片b分别粘贴在主材角钢主惯性轴y与主材角钢两肢的交点处，二者与角钢顶点O'的距离均为m；

应变片c和应变片d相对于主惯性轴z轴对称布置，距离O'点的距离均为n；

以上4个应变片的粘贴方向均沿角钢轴线方向。

3.如权利要求1所述的输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于，采用半桥接线法多次将应变片接入应变仪，读取应变仪读数的方法如下：

在进行测量时，只在电桥的AB段和BC段接应变片，而在AD和CD段连接应变仪内部的两个阻值相等的固定电阻；在此情况下，由于

R₁＝R₂＝R R₃＝R₄ ΔR₃＝ΔR₄＝0 (1)

式中：R₁，R₂，R₃，R₄为四个桥臂的电阻值，ΔR₃，ΔR₄为R₃和R₄的电阻值变化量；

所以，由式(1)可知，电桥的输出电压为

式中，E_g为输入电压，ΔR₁，ΔR₂为R₁和R₂的电阻值变化量；

则应变仪的读数为

式中，K为应变片灵敏度系数，ε₁为AB桥臂对应应变片的应变值，ε₂为BC桥臂对应应变片的应变值；

同理，若在电桥的AB段和CD段接应变片，而在AD和BC段连接应变仪内部的两个阻值相等的固定电阻，此时应变仪的读数为：

式中，ε₃为CD桥臂对应应变片的应变值。

4.如权利要求3所述的输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于，所述主材角钢的轴力P的计算方法如下：

角钢构件在偏心的外载荷的作用下，其横截面上存在的内力分量有：轴力P，附加弯矩M_y和附加弯矩M_z；

根据叠加原理可知，偏心受力构件横截面上各点都为单向应力状态，其测点处正应力的理论计算公式为拉伸应力和弯矩正应力的代数和，即：

式中，y为测点距离z轴的距离，z为测点距离y轴的距离，Iz为角钢横截面绕z轴的惯性矩，Iy为角钢横截面绕y轴的惯性矩，A为角钢的横截面积；

根据胡克定律可知，其测点处正应力σ的测量计算公式为材料的弹性模量E与测点处正应变ε的乘积，即：

σ＝E·ε (6)

主惯性轴y轴通过应变片粘贴位置，因此弯矩M_y将不会对应变片粘贴位置处应力产生影响，内力中只有轴力P和弯矩M_z影响该处应力的大小，a点应变ε_a和b点应变ε_b均由拉伸和弯曲两种应变成分组成，即：

ε_a＝ε_P-ε_Mz (7)

ε_b＝ε_P+ε_Mz (8)

其中ε_P、ε_Mz分别表示角钢拉伸时轴向应力产生的轴向应变和角钢弯曲变形所产生的弯曲应变的绝对值；

对公式(7)和(8)联立求解，得出轴力P产生的应变ε_P为；

将应变片a接入到应变仪AB段，应变片b接入到应变仪CD段，由式(4)得应变仪的读数为：

ε₁＝ε_a+ε_b (10)

根据公式(5)、(6)和(11)联立求解，计算出附加弯矩轴力P为：

5.如权利要求4所述的输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于，所述附加弯矩M_z的计算方法如下：

对公式(7)和(8)联立求解，得出附加弯矩M_z产生的应变ε_Mz为；

将应变片b接入到应变仪AB段，应变片a接入到应变仪BC段，则应变仪的读数为：

根据公式(5)、(6)和(15)联立求解，计算出附加弯矩M_z为：

其中m为a点距离角钢顶点O'的距离；

6.如权利要求5所述的输电铁塔主材角钢轴力与弯矩测量方法，其特征在于，所述附加弯矩M_y的计算方法如下：

因在应变片c和应变片d的位置，主材角钢内力中则有轴力P、附加弯矩M_y和附加弯矩M_z影响应变片c和应变片d处应力的大小，应变均由拉伸和弯曲两种应变成分组成，即：

其中ε_P代表角钢拉伸时轴向应力产生的轴向应变；ε_My代表附加弯矩M_y产生的弯曲应变；ε_Mz代表角钢弯曲变形所产生的弯曲应变的绝对值；

由式(18)和(19)联立求解，得出附加弯矩M_y产生的应变ε_My为：

将应变片c接入到应变仪AB段，将应变片d接入到应变仪CD段，由式(4)得应变仪的读数为：

ε₃＝ε_c+ε_d (21)

由于在角钢同一截面上，各点的轴向应力相同，因此可根据式(11)、(20)和(21)联立求解，计算出附加弯矩M_y产生的应变ε_My为：

由式(5)、(6)和(22)联立求解，计算出附加弯矩M_y为：

其中

则

式中，n为d点距离角钢顶点O'的距离。