CN111339704B - 输电铁塔错心节点的强度设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力工程设备技术领域，提供了一种输电铁塔错心节点的强度设计方法，该错心节点包括横隔面主材和斜材，所述横隔面主材包括同轴设置的杆件a₁和杆件a₂，所述斜材至少包括偏心杆件b₁和偏心杆件b₂；该错心节点中的各个杆件的应力按如下公式计算：本发明的输电铁塔错心节点的强度设计方法，利用杆件的线刚度分配弯矩法考虑偏心距对整个节点的影响，将偏心杆件对节点的偏心弯矩分配给节点处所有的杆件，进而达到准确计算各个杆件的强度的目的。与现有技术相比，不仅强度计算更准确，避免了安全系数不够或安全系数过高的情况，而且提高了设计效率，便于应用和推广。

Description

输电铁塔错心节点的强度设计方法

技术领域

本发明涉及电力工程设备技术领域，特别涉及一种输电铁塔错心节点的强度设计方法。

背景技术

输电线路工程铁塔设计一般按杆单元设计，但实际制图加工时，在节点处常常会存在偏心距，尤其是塔腿裤衩斜材与横隔面主材连接处节点，存在较大的偏心距，将这种在连接节点处存在偏心距的节点称为错心节点。

图1所示为一种错心节点的结构示意图，该错心节点包括横隔面主材和斜材，所述横隔面主材包括同轴设置的杆件a₁和杆件a₂，所述斜材包括偏心杆件b₁、偏心杆件b₂、杆件c₁、杆件c₂、杆件d₁和杆件d₂，其中，杆件a₁、杆件a₂、杆件c₁、杆件c₂、杆件d₁和杆件d₂的轴线延长线相交于同一点P，偏心杆件b₁与杆件a₁的轴线延长线相交于P1，偏心杆件b₂与杆件a₂的轴线延长线相交于P2，其中交点P1与交点P2分别位于交点P的两侧，则交点P1与交点P2之间的距离e就是偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距。

图2所示为另一种错心节点的结构示意图，该错心节点包括横隔面主材和斜材，所述横隔面主材包括同轴设置的杆件a₁和杆件a₂，所述斜材包括偏心杆件b₁、偏心杆件b₂、杆件c₁和杆件c₂，其中，杆件a₁、杆件a₂、杆件c₁和杆件c₂的轴线延长线相交于同一点P，偏心杆件b₁与杆件a₁的轴线延长线相交于P1、偏心杆件b₂与杆件a₂的轴线延长线相交于P2，其中交点P1与交点P2分别位于交点P的两侧，则交点P1与交点P2之间的距离e就是偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距。

目前，电力行业对于上述两种错心节点处的设计计算还没有明确的计算方法，通常采用的是将横隔面主材的尺寸加大的方法，以提高错心节点处的强度。但是这种方法与设计人员的主观经验有关，随意性较大，不便于应用和推广，并且经常会出现安全系数过高的情况，造成材料的浪费。

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错心节点的强度设计方法，以准确计算错心节点处各个杆件的强度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：输电铁塔错心节点的强度设计方法，该错心节点包括横隔面主材和斜材，所述横隔面主材包括同轴设置的杆件a₁和杆件a₂，所述斜材至少包括偏心杆件b₁和偏心杆件b₂；

该错心节点中的各个杆件的应力按公式(1)计算：

其中，σ_i为第i个杆件的计算应力；N_i为第i个杆件的轴力；A_i为第i个杆件的截面面积；K_i为第i个杆件的线刚度；∑K_i为该错心节点处所有杆件的线刚度之和；W_i为第i个杆件的截面模量；为偏心杆件b₁的轴力；/>为偏心杆件b₂的轴力；e为偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距。

进一步的，各个杆件应力的计算过程包括如下步骤：

S1、在分析软件中建立杆件模型，并计算错心节点中各个杆件的轴力；

S2、根据错心节点中偏心杆件的轴力计算该错心节点的偏心弯矩，按公式(2)计算：

其中，M为错心节点的偏心弯矩；为偏心杆件b₁的轴力；/>为偏心杆件b₂的轴力；e为偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距；

S3、根据错心节点的偏心弯矩和各个杆件的线刚度计算各个杆件所承担的弯矩，按公式(3)计算：

其中，M_i为第i个杆件所承担的弯矩；K_i为第i个杆件的线刚度；∑K_i为该错心节点处所有杆件的线刚度之和；

S4、根据各个杆件的轴力以及所承担的弯矩计算各个杆件的应力，按公式(4)计算：

其中，σ_i为第i个杆件的计算应力；N_i为第i个杆件的轴力；A_i为第i个杆件的截面面积；W_i为第i个杆件的截面模量。

本发明的有益效果是：本发明的输电铁塔错心节点的强度设计方法，利用杆件的线刚度分配弯矩法考虑偏心距对整个节点的影响，将偏心杆件对节点的偏心弯矩分配给节点处所有的杆件，进而达到准确计算各个杆件的强度的目的。与现有技术相比，不仅强度计算更准确，避免了安全系数不够或安全系数过高的情况，而且提高了设计效率，便于应用和推广。

附图说明

图1是输电铁塔错心节点的第一种结构示意图；

图2是输电铁塔错心节点的第二种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所述的输电铁塔错心节点的强度设计方法，该错心节点包括横隔面主材和斜材，所述横隔面主材包括同轴设置的杆件a₁和杆件a₂，所述斜材至少包括偏心杆件b₁和偏心杆件b₂；

该错心节点中的各个杆件的应力按公式(1)计算：

其中，σ_i为第i个杆件的计算应力；N_i为第i个杆件的轴力；A_i为第i个杆件的截面面积；K_i为第i个杆件的线刚度；∑K_i为该错心节点处所有杆件的线刚度之和；W_i为第i个杆件的截面模量；为偏心杆件b₁的轴力；/>为偏心杆件b₂的轴力；e为偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距。

各个杆件应力的计算过程包括如下步骤：

S1、在分析软件中建立杆件模型，并计算错心节点中各个杆件的轴力。该分析软件可以是ANSYS、ABAQUS、ADINA、STAAD等，在此不做具体的限定，当在分析软件中建好模型后，则通过该分析软件对模型中错心节点的受力进行分析，并计算出该错心节点中每个杆件的轴力。

S2、根据错心节点中偏心杆件的轴力计算该错心节点的偏心弯矩，按公式(2)计算：

其中，M为错心节点的偏心弯矩；为偏心杆件b₁的轴力；/>为偏心杆件b₂的轴力；e为偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距。

S3、根据错心节点的偏心弯矩和各个杆件的线刚度计算各个杆件所承担的弯矩，按公式(3)计算：

其中，M_i为第i个杆件所承担的弯矩；K_i为第i个杆件的线刚度；∑K_i为该错心节点处所有杆件的线刚度之和。

杆件的线刚度指的是杆件在单位长度上的截面刚度，杆件的线刚度按公式(5)计算：

K_i＝(E_i×I_i)/l_i (5)

其中，E_i为第i个杆件的弹性模量；I_i为第i个杆件的惯性矩；l_i为第i个杆件的长度。

S4、根据各个杆件的轴力以及所承担的弯矩计算各个杆件的应力，按公式(4)计算：

其中，σ_i为第i个杆件的计算应力；N_i为第i个杆件的轴力；A_i为第i个杆件的截面面积；W_i为第i个杆件的截面模量。本发明中，将公式(2)、(3)代入公式(4)中，就可得到公式(1)。

本发明的输电铁塔错心节点的强度设计方法，利用杆件的线刚度分配弯矩法考虑偏心距对整个节点的影响，将偏心杆件对节点的偏心弯矩分配给节点处所有的杆件，进而达到准确计算各个杆件的强度的目的。与现有技术相比，不仅强度计算更准确，避免了安全系数不够或安全系数过高的情况，而且提高了设计效率，避免材料的浪费，便于应用和推广。

实施例1：

如图1所示的输电铁塔错心节点，该错心节点中的所有杆件为等边角钢，其材质均为Q345L，且Q345L材质杆件的许用应力[σ]＝310MPa；偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距为e＝140mm；所有杆件的其他初始信息如下表所示：

下面以该错心节点中的杆件a₁的强度计算为例进行详细说明：

S1、在有限元分析软件ANSYS中建立杆件模型，并通过该有限元分析软件计算如图1所示的错心节点中各个杆件的轴力；

其中，杆件a₁的轴力为：偏心杆件b₁的轴力为：/>偏心杆件b₂的轴力为：/>

S2、按公式(2)计算该错心节点的偏心弯矩为：

S3、由于该错心节点中的所有杆件的材料均为Q345L，因此所有杆件的弹性模量均相同。

则结合公式(3)和公式(5)，计算杆件a₁所承担的弯矩为：

S4、按公式(4)计算杆件a₁的计算应力为：

上述计算结果表明，当杆件a₁采用材质为Q345L、规格为110×110×10的等边角钢时，杆件a₁的承载力超过设计载荷，满足设计要求。图1中其他杆件的强度计算方法与杆件a₁的计算方法相类似，在此不再赘述。

实施例2：

如图2所示的输电铁塔错心节点，该错心节点中的所有杆件为等边角钢，其材质均为Q345L，且Q345L材质杆件的许用应力[σ]＝310MPa；偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距为e＝90mm；所有杆件的其他初始信息如下表所示：

下面以该错心节点中的杆件a₁的强度计算为例进行详细说明：

S1、在有限元分析软件ANSYS中建立杆件模型，并通过该有限元分析软件计算如图2所示的错心节点中各个杆件的轴力；

其中，杆件a₁的轴力为：偏心杆件b₁的轴力为：/>偏心杆件b₂的轴力为：/>

S2、按公式(2)计算该错心节点的偏心弯矩为：

S3、由于该错心节点中的所有杆件的材料均为Q345L，因此所有杆件的弹性模量均相同。

则结合公式(3)和公式(5)，计算杆件a₁所承担的弯矩为：

S4、按公式(4)计算杆件a₁的计算应力为：

上述计算结果表明，当杆件a₁采用材质为Q345L、规格为90×90×7的等边角钢时，杆件a₁的承载力超过设计载荷，满足设计要求。图2中其他杆件的强度计算方法与杆件a₁的计算方法相类似，在此不再赘述。

需要说明的是，采用本发明的方法对错心节点处的杆件进行强度计算，当杆件的计算应力小于许用应力时，则表明杆件的承载力超过设计载荷，满足设计要求。当杆件的计算应力大于其许用应力时，则表明杆件的承载力小于设计载荷，不满足设计要求，此时就需要将杆件的规格加大，以增大杆件的承载力，然后再通过上述方式准确计算该杆件的强度，直至其满足设计要求。

Claims (1)

1.输电铁塔错心节点的强度设计方法，该错心节点包括横隔面主材和斜材，所述横隔面主材包括同轴设置的杆件a₁和杆件a₂，所述斜材至少包括偏心杆件b₁和偏心杆件b₂；

其特征在于，该错心节点中的各个杆件的应力按公式(1)计算：

其中，σ_i为第i个杆件的计算应力；N_i为第i个杆件的轴力；A_i为第i个杆件的截面面积；K_i为第i个杆件的线刚度；∑K_i为该错心节点处所有杆件的线刚度之和；W_i为第i个杆件的截面模量；为偏心杆件b₁的轴力；/>为偏心杆件b₂的轴力；e为偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距；

各个杆件应力的计算过程包括如下步骤：

S1、在分析软件中建立杆件模型，并计算错心节点中各个杆件的轴力；

S2、根据错心节点中偏心杆件的轴力计算该错心节点的偏心弯矩，按公式(2)计算：

其中，M为错心节点的偏心弯矩；为偏心杆件b₁的轴力；/>为偏心杆件b₂的轴力；e为偏心杆件b₁与偏心杆件b₂之间的偏心距；

S3、根据错心节点的偏心弯矩和各个杆件的线刚度计算各个杆件所承担的弯矩，按公式(3)计算：

其中，M_i为第i个杆件所承担的弯矩；K_i为第i个杆件的线刚度；∑K_i为该错心节点处所有杆件的线刚度之和；

S4、根据各个杆件的轴力以及所承担的弯矩计算各个杆件的应力，按公式(4)计算：

其中，σ_i为第i个杆件的计算应力；N_i为第i个杆件的轴力；A_i为第i个杆件的截面面积；W_i为第i个杆件的截面模量。