CN110688702A - 一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法 - Google Patents

Abstract

一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，包括：通过铁塔结构计算塔脚板上作用的拉力T大小，根据四颗地脚螺栓共同分担，确定四颗地脚螺栓的材质和规格；按照塔腿主材角钢重心线与塔脚板中心对准的原则，确定与塔腿主材角钢所连接的靴板位置，再按照地脚螺栓间距不小于四倍地脚螺栓直径的原则设置地脚螺栓孔的位置；校核地脚螺栓与塔脚构件是否碰撞，最终确定出塔脚板的宽度、地脚螺栓孔心间距以及孔心至塔脚板边缘的距离；针对塔腿主角钢所在的区隔及其对角区隔，计算由区隔控制的塔脚板厚度；取较大值作为塔脚板的设计厚度。本发明克服了传统计算方式假定条件与实际存在差异的不足，使塔脚板设计更加可靠、经济性更优。

Description

一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法

技术领域

本发明属于输电塔领域，具体涉及一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法。

背景技术

塔脚板是输电线路铁塔与基础连接的关键部件，是将铁塔承受的力传递至基础的重要纽带。四地脚螺栓有加劲塔脚板是目前架空输电线路中最常用的塔脚板型式，该塔脚板为方形，被“十字型”靴板划分为4个受力区隔，靴板外端设置有加劲板。塔脚板设计的关键环节是确定底板厚度，传统的塔脚板厚度计算方法均采用现行电力行业标准DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》提供的底板厚度计算公式，该计算方法存在以下不足：

1)计算公式推导的前提是将地脚螺栓作用于底板的拉力等效为作用于整个底板的均布力，这与实际情况存在差异。2)该公式忽略了加劲板的有利作用，将所有区隔均假定为理想的两边固支、两边自由的受弯薄板，这使得设计结果常常偏保守，塔脚板厚度偏大。

由于四地脚螺栓有加劲塔脚板的受力区隔不对称，各区隔支承条件复杂，长期以来关于塔脚板承载力的针对性研究较少，所能查阅到的文献都是从弹性理论出发进行研究，要么偏向于定性分析而缺少公式研究，要么提出的公式过于复杂，也没有显式包含加劲板的影响，不便于工程应用。因此，计入加劲板有利影响的塔脚板厚度计算方法一直没有得到改进。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中关于四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度不能较准确得出的问题，提供一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，结合各受力区隔不同支承条件对塔脚板受拉承载力的影响，并计入加劲板作用，提升塔脚板设计的可靠性和经济性。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，包括以下步骤：

步骤一、通过铁塔结构计算塔脚板上作用的拉力T大小，根据四颗地脚螺栓共同分担，按照每颗地脚螺栓承担T/4的力，确定四颗地脚螺栓的材质和规格；

步骤二、按照塔腿主材角钢重心线与塔脚板中心对准的原则，确定与塔腿主材角钢所连接的靴板位置，再根据DL/T 5219-2014《架空输电线路基础设计技术规程》，按照地脚螺栓间距不小于四倍地脚螺栓直径的原则设置地脚螺栓孔的位置；校核地脚螺栓与塔脚构件是否碰撞，如果出现碰撞，则调整地脚螺栓孔的位置，直至不发生碰撞；最终，确定出塔脚板的宽度、地脚螺栓孔心间距以及孔心至塔脚板边缘的距离；

步骤三、针对塔腿主角钢所在的区隔，根据区隔宽度b₁、地脚螺栓中心至靴板的距离y₁、加劲板的长度L、底板钢材的屈服强度f_y和材料抗力分项系数γ_R，计算由该区隔控制的塔脚板厚度t₁：

针对塔腿主角钢所在区隔的对角区隔，根据区隔宽度b₂、地脚螺栓中心至靴板的距离y₂，计算由该区隔控制的塔脚板厚度t₂：

步骤四、比较塔腿主角钢所在区隔控制的塔脚板厚度t₁与塔腿主角钢所在区隔的对角区隔控制的塔脚板厚度t₂的大小，取较大值作为塔脚板的设计厚度。

优选的，作为本发明输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法的一种实施例，所述的步骤一根据DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》和DL/T1236-2013《输电杆塔用地脚螺栓与螺母》选定地脚螺栓的材质并计算其直径。

优选的，作为本发明输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法的一种实施例，所述靴板的厚度满足与塔腿主角钢的螺栓连接强度以及其自身竖向截面抗弯强度。

优选的，作为本发明输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法的一种实施例，螺栓连接强度按照DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》验算确定。

优选的，作为本发明输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法的一种实施例，靴板自身竖向截面抗弯强度在确定根部截面的单位长度弯矩M后，按照下式选定靴板厚度t_s：

优选的，作为本发明输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法的一种实施例，取加劲板厚度t_r为靴板厚度t_s的0.6～0.7倍，加劲板长高比取0.5～1.0。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：基于塑性分析、弹性设计的思想，首先采用屈服线理论，结合试验研究和有限元仿真结果对四地脚螺栓有加劲塔脚板的各受力区隔按照合适的屈服线模型推导出极限承载力计算公式，再根据试验和仿真分析结果，并且综合考虑加工、安装等因素对公式进行修正。由于极限承载力公式是基于塑性分析得到的，实际工程设计并不能直接应用，为限制底板塑性发展以及保证工程结构安全性需要，按照边缘屈服准则，对计算截面采用边缘屈服的弯曲承载力代替全截面屈服的弯曲承载力，同时计入材料抗力分项系数，进而得到四地脚螺栓有加劲塔脚板的设计承载力。对于输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板，主角钢所在的受力区隔尺寸最大但设有加劲板，其对角区隔尺寸最小但无加劲板，其余的两个对称受力区隔大小居中也设有加劲板，仿真结果表明，塔脚板的整体承载力由主角钢所在受力区隔及其对角区隔控制，底板厚度对应于步骤三的公式。本发明提出的计算方法有完备的理论支撑，有试验和仿真结果的验证，且综合考虑了塔脚板各区隔的受力状态以及加劲板的有利作用，克服了传统计算方式假定条件与实际存在差异的不足，充分考虑了靴板和加劲板提供的支承作用，使得塔脚板设计更加可靠、经济性更优。

进一步的，本发明靴板的厚度满足与塔腿主角钢的螺栓连接强度以及其自身竖向截面抗弯强度，避免塔脚板在未充分发挥设计承载力的情况下靴板提前破坏。为保障加劲板能提供有效支承作用且能有效传递弯矩，加劲板厚度取靴板厚度的0.6～0.7倍，长高比取0.5～1.0。

附图说明

图1输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板的结构示意图；

图2本发明输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法流程图；

图3输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板基于屈服线理论的受拉承载力计算模型图；

图4为10个试件的试验承载力与本发明计算结果的承载力对比图；

图5本发明的计算方法与现行电力行业标准DL/T 5154-2012计算方法的厚度对比图；

图1中：1为塔脚板，2为靴板，2a为交叉靴板第一段，2b为交叉靴板第二段，3为加劲板，4为地脚螺栓孔，5为塔脚板中心线。图3中：虚线段AB、AC、AD、AE、AF、CB、CD为区隔Ⅰ受拉时的假定屈服线；虚线段A2B2、A2C2、A2D2、C2B2、C2D2为区隔Ⅱ受拉时的假定屈服线；虚线段A3B3、A3C3、A3D3、A3E3、C3B3、C3D3为区隔Ⅲ受拉时的假定屈服线；以上所述虚线段均统称为屈服线，区隔Ⅰ为主角钢所在区隔，区隔Ⅱ为主角钢所在区隔的对角区隔；标注尺寸S1为任意两颗相邻地脚螺栓孔心间距的一半，S2为任意一颗地脚螺栓孔心至塔脚板边缘的距离，G为塔脚板中心线至靴板的距离；B为塔脚板宽度；L为加劲板长度、tr为加劲板厚度，ts为靴板厚度。b1、b2分别为区隔Ⅰ和区隔Ⅱ的宽度，y1、y2分别为区隔Ⅰ和区隔Ⅱ中的地脚螺栓中心至靴板的距离。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明针对的输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板由塔脚板1、靴板2、交叉靴板第一段2a、交叉靴板第二段2b以及加劲板3组成，塔脚板1上设有四个地脚螺栓孔4，各板之间采用焊接连接。按照图2所示的计算流程，采用以下步骤计算塔脚板1的厚度：

步骤一：通过铁塔结构计算确定塔脚板1上作用的拉力T，由四颗地脚螺栓共同分担，按照每颗螺栓承担T/4的力，根据DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》和DL/T 1236-2013《输电杆塔用地脚螺栓与螺母》选定材质并计算直径，确定地脚螺栓规格；

步骤二：按照塔腿主材角钢重心线(重心线至角钢肢背边缘的距离等于G)与塔脚板中心(两条中心线5的交点)对准的原则确定靴板2、交叉靴板第一段2a和交叉靴板第二段2b的位置；再根据DL/T 5219-2014《架空输电线路基础设计技术规程》，按照地脚螺栓间距不小于四倍地脚螺栓直径的原则设置地脚螺栓孔4的位置。校核地脚螺栓(含螺母)与塔脚构件是否碰撞，如果与塔脚构件发生碰撞，则调整地脚螺栓孔4的位置，直至不发生碰撞。

步骤三：如图3所示，针对塔腿主角钢所在的区隔Ⅰ，根据区隔宽度b₁、地脚螺栓中心至靴板的距离y₁、加劲板的长度L、塔脚板1的钢材屈服强度f_y和材料抗力分项系数γ_R，按下式计算由区隔Ⅰ控制的塔脚板厚度t₁：

步骤四：如图3所示，针对塔腿主角钢所在区隔的对角区隔Ⅱ，根据区隔宽度b₂、地脚螺栓中心至靴板的距离y₂、塔脚板1的钢材屈服强度f_y和材料抗力分项系数γ_R，按下式计算由区隔Ⅱ控制的塔脚板厚度t₂：

步骤五：最终确定的塔脚板1的设计厚度t为t₁和t₂中的较大者，即t＝max(t₁,t₂)。

本实施例的核心思想是利用基于屈服理论推导并结合试验和仿真结果修正的公式(1)和公式(2)，求解当区隔Ⅰ较薄弱时塔脚板1的厚度t₁，和当区隔Ⅱ较薄弱时塔脚板1的厚度t₂，取t₁和t₂中的较大者，进而得到最终的底板厚度t。公式(1)和公式(2)是本实施例计算流程中的核心内容，包含本发明的核心技术原理。如图3所示，按照区隔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中所示的假定屈服线，当地脚螺栓的拉力T_p使结构达到极限状态时，根据虚功原理，假设集中力作用点沿作用方向产生微小位移δ，各屈服线的计算截面发生微小转角θ_i，则各区隔中地脚螺栓产生的集中力作功等于各区隔塑性弯矩M_p沿屈服线l_i做功，即有：

可求解得到各区隔的极限承载力T_p，再根据试验和仿真结果并考虑加工、安装因素修正后得到极限承载力T_pr，使其具有95％的保障率不大于仿真值或试验值。

为保障工程安全，塔脚板需采用弹性设计，继而采用边缘屈服准则，以弹性弯矩代替塑性弯矩，将承载力回归到工程可用的设计承载力T_e，再以整个塔脚(四区隔)的设计承载力T/4代替之，并结合仿真结果考虑各区隔受力不平衡等因素，对于本实施例，塔脚承载力受区隔Ⅰ和区隔Ⅱ控制，最终得到公式(1)和(2)。

为使本实施例的塔脚板1能正常工作，避免塔脚板1在未充分发挥设计承载力的情况下靴板2和交叉靴板第一段2a提前破坏，靴板需满足与主材的螺栓连接强度要求以及当塔脚板受压时的弯曲强度要求。螺栓连接强度按照DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》的相关条文验算即可，对于靴板的弯曲强度，在确定根部截面(Ⅰ-Ⅰ)和(Ⅱ-Ⅱ)的单位长度弯矩M后，按照下式即可选定靴板的厚度t_s：

由于在公式(1)、(2)的推导中将加劲板视为简支边，为保障加劲板能提供有效的支承作用，且能有效传递弯矩，参考FEM350本实施例中的加劲板长高比取0.5～1.0之间，取加劲板厚度t_r＝(0.6～0.7)t_s。四地脚螺栓有加劲输电塔的塔脚板1在受压时，由于它和基础间的压力并非均匀分布，而是主要分布在靴板2、交叉靴板第一段2a、交叉靴板第二段2b和加劲板3的附近区域内，因此塔脚板1本身承受的弯矩相对较小，根据铁塔计算得到的下压力N对塔脚板1进行受压强度验算，满足受压强度要求的厚度均远小于公式(1)和(2)的计算结果，因此本实施例的计算流程不再考虑受压强度验算的步骤。

综上，由本实施例所采用的计算流程和技术原理可知，本实施例的计算方法有完善的理论基础、综合考虑了靴板2、交叉靴板第一段2a、交叉靴板第二段2b和加劲板3自身的强度和对塔脚板1的支承作用，也综合考虑了区隔Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的承载力差异对塔脚板1整体承载力的影响，而现有标准DL/T 5154-2012提供的计算方法将区隔1的地脚螺栓集中力等效为作用于整个区隔的均布力，而且仅仅只考虑了区隔Ⅰ的承载力，没有考虑区隔Ⅱ和Ⅲ的承载力，也没有考虑加劲板3的支承作用，显然，本实施例的计算方法理论性更强、考虑的因素更多，可靠性也更强。如图4所示，10个试件的受拉承载力试验值与本实施例设计承载力的比值均大于2.0，说明了本实施例计算方法的安全性。如图5所示，对于4M30、4M36、4M42、4M48、4M52、4M56、4M60、4M64、4M68、4M72共10个规格的42CrMo材质地脚螺栓，按照本实施例计算的Q345材质塔脚板厚度与DL/T 5154-2012计算厚度的比值均小于0.9，厚度平均减小约13％左右，说明了本实施例计算方法具有明显的经济性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明权利要求书确定的保护范围。

Claims (6)

1.一种输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过铁塔结构计算塔脚板(1)上作用的拉力T大小，根据四颗地脚螺栓共同分担，按照每颗地脚螺栓承担T/4的力，确定四颗地脚螺栓的材质和规格；

步骤二、按照塔腿主材角钢重心线与塔脚板(1)中心对准的原则，确定与塔腿主材角钢所连接的靴板位置，再根据DL/T 5219-2014《架空输电线路基础设计技术规程》，按照地脚螺栓间距不小于四倍地脚螺栓直径的原则设置地脚螺栓孔(4)的位置；校核地脚螺栓与塔脚构件是否碰撞，如果碰撞，则调整地脚螺栓孔(4)的位置，直至不发生碰撞；最后确定出塔脚板(1)的宽度、地脚螺栓孔心间距以及孔心至塔脚板(1)边缘的距离；

步骤三、针对塔腿主角钢所在的区隔，根据区隔宽度b₁、地脚螺栓中心至靴板的距离y₁、加劲板的长度L、底板钢材的屈服强度f_y和材料抗力分项系数γ_R，计算由该区隔控制的塔脚板厚度t₁：

针对塔腿主角钢所在区隔的对角区隔，根据区隔宽度b₂、地脚螺栓中心至靴板的距离y₂，计算由该区隔控制的塔脚板厚度t₂：

步骤四、比较塔腿主角钢所在区隔控制的塔脚板厚度t₁与塔腿主角钢所在区隔的对角区隔控制的塔脚板厚度t₂的大小，取较大值作为塔脚板(1)的设计厚度。

2.根据权利要求1所述的输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，其特征在于：所述的步骤一根据DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》和DL/T 1236-2013《输电杆塔用地脚螺栓与螺母》选定地脚螺栓的材质并计算其直径。

3.根据权利要求1所述的输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，其特征在于：所述靴板的厚度满足与塔腿主角钢的螺栓连接强度以及其自身竖向截面抗弯强度。

4.根据权利要求3所述的输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，其特征在于：螺栓连接强度按照DL/T 5154-2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》验算确定。

5.根据权利要求3所述的输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，其特征在于：靴板自身竖向截面抗弯强度在确定根部截面的单位长度弯矩M后，按照下式选定靴板厚度t_s：

6.根据权利要求5所述的输电塔四地脚螺栓有加劲塔脚板厚度计算方法，其特征在于：取加劲板厚度t_r为靴板厚度t_s的0.6～0.7倍，加劲板长高比取0.5～1.0。

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