CN112392286A - 一种下击暴流作用下钢管塔构件抗风补强装置 - Google Patents

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Abstract

一种下击暴流作用下钢管塔构件抗风补强装置，包括：对开式套管(1)和多个夹具(2)；所述对开式套管(1)为中空的杆状结构，包括两片弧形板(3)，包裹于拟补强钢管塔杆件外表面；多个夹具(2)沿所述对开式套管(1)纵向间隔设置，将所述对开式套管(1)与钢管塔杆件紧固连接。可在不破坏原铁塔主材截面及材料性能的前提下，通过对开式套管和夹具对钢管塔构件进行加固补强，提高钢管塔构件受力性能和铁塔抗局地强风安全性。

Description

一种下击暴流作用下钢管塔构件抗风补强装置
技术领域
本发明涉及输电线路防灾减灾领域，具体涉及一种适用于下击暴流作用下的钢管输电塔构件加固补强装置。
背景技术
在我国，很多省份都有因下击暴流造成输电线路破坏的情况发生，为了提高已建输电铁塔抵抗下击暴流的可靠性，发展有针对性且经济适用的抗风补强装置显得尤为重要。目前常用的铁塔抗风补强措施大多利用螺栓开孔、焊接、胶合等连接方式在原有塔材基础上增设辅助主材的思路，通过增大输电铁塔构件及整体抗压稳定性和抗扭刚度达到抗风补强的目的，但是螺栓开孔和焊接会影响甚至降低原有塔材的材料性能，难以评估补强措施对整体安全性的影响；胶合连接不破坏原有结构，但在输电塔野外复杂环境中存在耐久性问题，影响相应铁塔强风补强装置的实际应用效果。同时由于下击暴流特殊的风荷载特性，其输电铁塔致灾机制较良态风下的情况有显著区别，直接沿用常规的铁塔加固补强策略及装置，可能并不适用下击暴流作用下的情况，影响铁塔补强装置的科学性和经济性。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种基于对开式套管的下流暴击作用下钢管塔构件抗风补强装置，包括：
对开式套管(1)和多个夹具(2)；
所述对开式套管(1)为中空的杆状结构，包括两片弧形板(3)，包裹于拟补强钢管塔杆件外表面；多个夹具(2)沿所述对开式套管(1)纵向间隔设置，将所述对开式套管(1)与钢管塔杆件紧固连接。
优选的，所述两片弧形板(3)形状完全相同；且所述弧形板(3)横截面为半圆形。
优选的，所述弧形板(3)横截面的半径与所述钢管构件外表面半径相同。
优选的，所述弧形板(3)的长度、厚度的范围以及材质由杆件整体抗压能力提升值时确定。
优选的，所述杆件整体抗压能力提升值如下式所示：
Fs＝a×η×S×σc
式中：Fs为构件整体抗压能力提升值；a：为经验性系数；η为抗力系数；S为补强后对开式套管截面积；σc为临界应力。
优选的，所述临界应力σc按下式计算：
α≤1.5时，
Figure BDA0002704855080000023
α＞1.5时，
Figure BDA0002704855080000021
式中，σy为对开式套管的屈服应力；α为无量纲的长度修正系数；
其中，所述无量纲的长度修正系数α按下式确定：
Figure BDA0002704855080000022
其中，le为杆件有效长度系数；l为对开式套管长度；r和E分别为对开式套管最小半径和弹性模量。
优选的，所述夹具(2)包括：U形螺栓(4)和具有孔洞的支撑底座(5)；所述U形螺栓(4)和所述支撑底座(5)相对设置于所述对开式套管外侧；
所述U形螺栓(4)穿过所述支撑底座的孔洞，将所述对开式套管与拟加强的钢管构件紧密固定。
优选的，所述支撑底座(5)与所述拟加强的钢管构件接触侧为弧形结构，且所述弧形结构的半径大于所述钢管构件半径。
优选的，所述拟补强钢管塔杆件包裹部分由所述钢管塔构件受力最大杆件确定。
优选的，所述钢管塔构件受力最大杆件的确定包括：
通过有限元仿真技术，开展钢管输电塔在下击暴流作用下的风振响应分析，确定钢管塔受力最大杆件。
优选的，所述杆件整体抗压能力提升值，通过与常规风条件下的所述杆件受力进行对比得到的杆件受力增大幅值确定；所述杆件整体抗压能力提升值不小于所述杆件受力增大幅值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一种下击暴流作用下钢管塔构件抗风补强装置，包括：对开式套管(1)和多个夹具(2)；所述对开式套管(1)为中空的杆状结构，包括两片弧形板(3)，包裹于拟补强钢管塔杆件外表面；多个夹具(2)沿所述对开式套管(1)纵向间隔设置，将所述对开式套管(1)与钢管塔杆件紧固连接。可在不破坏原铁塔主材截面及材料性能的前提下，通过对开式套管和夹具对钢管塔构件进行加固补强，提高钢管塔构件受力性能和铁塔抗局地强风安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面示意图；
其中，对开式套管1、夹具2、弧形板3、U形螺栓4、支撑底座5。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
如图1所示本补强装置主要包括对开式套管1和多个夹具2；
所述对开式套管1安装于拟补强钢管塔杆件外表面，多个夹具2沿所述对开式套管1纵向间隔设置，将所述对开式套管1与钢管塔杆件紧固连接。
优选的，所述钢管塔杆件外表面对开式套管1安装位置由钢管受力最大杆件的受力处确定。
优选的，所述钢管受力最大杆件的受力处的确定包括：
通过有限元仿真技术，开展钢管输电塔在下击暴流作用下的风振响应分析，确定钢管塔受力最大杆件，并与常规风条件下的所述杆件受力进行对比确定所述杆件整体抗压能力提升值。
如图2所示，优选的，所述对开式套管1包括两片形状完全相同的弧形板3；且所述弧形板3横截面为半圆形。
优选的，所述弧形板3横截面的半径与所述钢管构件外表面半径相同。
优选的，所述弧形板3的长度、厚度的范围以及材质由杆件整体抗压能力提升值确定。
优选的，所述杆件整体抗压能力提升值按下式计算：
Fs＝a×η×S×σc
式中：Fs为补强后构件整体抗压力提升值；η为抗力系数；S为补强后对开式套管截面积；σc为临界应力；a：为经验系数取0.3。
优选的，所述临界应力σc按下式计算：
α≤1.5时，
Figure BDA0002704855080000043
α＞1.5时，
Figure BDA0002704855080000041
式中，σy为对开式套管的屈服应力；α为无量纲的长度修正系数；
其中，所述无量纲的长度修正系数α按下式确定：
Figure BDA0002704855080000042
其中，le为杆件有效长度系数；l为对开式套管长度；r和E分别为对开式套管最小半径和弹性模量。
优选的，所述夹具2包括：U形螺栓4和具有孔洞的支撑底座5；所述U形螺栓4和所述支撑底座5相对设置于所述对开式套管外侧；
所述U形螺栓4穿过所述支撑底座的孔洞，将所述对开式套管与拟加强的钢管构件紧密固定。
优选的，所述支撑底座5与所述拟加强的钢管构件接触侧为弧形结构，且所述弧形结构的半径大于所述钢管构件半径。
本发明的目的在于提供一种适用于下击暴流作用下的钢管输电塔构件补强装置，该装置可在不破坏原铁塔主材截面及材料性能的前提下，充分考虑下击暴流这一类局地强风风效应特性，对已建钢管铁塔的关键薄弱构件进行抗风补强，提高铁塔抗局地强风可靠性。有助于提高已建钢管输电铁塔关键构件抵抗下击暴流的安全性。
实施例2：
通过有限元仿真技术，开展钢管输电塔在下击暴流作用下的风振响应分析，确定钢管塔受力最大杆件，并与常规风条件下的该杆件受力进行对比，确定下击暴流作用下该杆件受力增大幅值ΔF。根据ΔF的数值确定本发明提供的抗风补强装置截面积、材料等参数取值。
本补强装置主要包括对开式套管和夹具，其特征在于：对开式套管1紧贴安装于拟补强钢管塔杆件外表面，并通过若干等距排列的夹具2与钢管塔杆件紧固连接。
上述对开式套管1，其特征在于：该套管采用对开的形式，由两片等厚、等弧长的弧形板3组成，每片弧形板3的圆心与拟加强的钢管构件圆心重合，且其内表面半径与拟补强的钢管构件外表面半径相同。
上述夹具2，其特征在于：该夹具由U形螺栓4和支撑底座5组成，U形螺栓4外套于对开式套管1和拟补强的钢管构件外侧，通过与支撑底座5连接，将对开式套管1与拟加强的钢管构件紧密固定。
通过设置上述装置，补强后的钢管构件整体抗压能力提升值可由下式确定，
Fs＝0.3×η×S×σc (1)
其中，Fs为补强后构件整体抗压力提升值(N)；η为抗力系数；S为补强后对开式套管截面积(mm2)；σc为临界应力(MPa)，按下式计算，
Figure BDA0002704855080000051
其中，σy为对开式套管的屈服应力(MPa)；α为无量纲的长度修正系数，按下式确定，
Figure BDA0002704855080000052
其中，le为杆件有效长度系数；l为对开式套管长度(mm)；r和E分别为对开式套管最小半径(mm)和弹性模量(MPa)。
最后，结合ΔF的大小，通过合理选取对开式套管的l、S、σy和E等参数，确定对开式套管尺寸、材料特征，使得补强后杆件整体抗压能力提升值Fs大于ΔF，以达到抗风补强目的。
实施例3：
通过有限元仿真计算，分别开展钢管输电塔在下击暴流和常规B类风场作用下的风振响应分析，确定下击暴流作用下杆件受力增大幅值ΔF。例如，对于某塔腿杆件(tube1)，长度为700mm，其ΔF为15kN。
如图1所示，本发明提供的一种基于对开式套管的钢管塔构件抗下击暴流补强装置，包括对开式套管和夹具。对开式套管1紧贴安装于拟补强钢管塔杆件外表面，长度l为650mm，弹性模量E为200000MPa，材料屈服强度σy等于439MPa，截面积S等于220mm2，最小半径r为6mm。对开式套管1通过若干等距排列的夹具2与钢管塔杆件紧固连接，夹具2的间距为100mm。
对开式套管1采用对开的形式，如图2所示，由两片弧形板3组成，每片圆弧形厚板3的圆心与拟加强的钢管构件圆心重合，且其内表面半径与拟补强的钢管构件外表面半径相同，以保证对开式套管与拟补强杆件紧密贴合，接触良好。每片弧形板3长度相等且长度方向边缘距拟补强钢管构件杆端为25mm。
夹具2由U形螺栓4和支撑底座5组成，U形螺栓4套于对开式套管1和拟补强的钢管构件外侧，通过与支撑底座5连接，将对开式套管1与拟加强的钢管构件紧密固定。
通过上述补强设置，对于tube1杆件，抗力系数η取为0.85，杆件有效长度系数le取为0.5，长度修正系数α，可按下式确定，
Figure BDA0002704855080000061
那么，临界应力σc为，
Figure BDA0002704855080000062
由此可得补强后tube1杆件的抗压能力增大值为，
Fs＝0.3×η×S×σc＝0.3×0.85×220×347.4＝19.5(kN) (6)
经对比，Fs＝19.5kN>ΔF＝15kN。说明上述补强装置满足要求。
通过预先的铁塔风振响应分析，确定精细化的铁塔补强装置安装位置及性能设计参数，提高补强装置抵御下击暴流的有效性；
该装置可在不破坏原铁塔主材截面及材料性能的前提下，通过对开式套管和夹具对钢管塔构件进行加固补强，提高钢管塔构件受力性能和铁塔抗局地强风安全性。
根据下击暴流作用下铁塔风致结构响应分析确定补强装置安装部位及性能设计参数；
一种基于对开式套管的下击暴流作用下钢管塔构件抗风补强装置由对开式套管和夹具组成。对开式套管采用圆弧形状，与拟补强钢管塔构件紧密贴合；夹具采用U形螺栓，将对开式套管与拟补强构件紧固。
补强后的钢管构件整体抗压能力提升值Fs由抗力系数η、对开式套管截面积S和临界应力控制σc，计算公式为Fs＝0.3×η×S×σc。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种下击暴流作用下钢管塔构件抗风补强装置，包括：对开式套管(1)和多个夹具(2)；
所述对开式套管(1)为中空的杆状结构，包括两片弧形板(3)，包裹于拟补强钢管塔杆件外表面；多个夹具(2)沿所述对开式套管(1)纵向间隔设置，将所述对开式套管(1)与钢管塔杆件紧固连接。
2.如权利要求1所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述两片弧形板(3)形状完全相同；且所述弧形板(3)横截面为半圆形。
3.如权利要求2所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述弧形板(3)横截面的半径与所述钢管构件外表面半径相同。
4.如权利要求3所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述弧形板(3)的长度、厚度的范围以及材质由杆件整体抗压能力提升值时确定。
5.如权利要求4所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述杆件整体抗压能力提升值如下式所示：
Fs＝a×η×S×σc
式中：Fs为构件整体抗压能力提升值；a：为经验性系数；η为抗力系数；S为补强后对开式套管截面积；σc为临界应力。
6.如权利要求5所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述临界应力σc按下式计算：
α≤1.5时，
Figure FDA0002704855070000013
α＞1.5时，
Figure FDA0002704855070000011
式中，σy为对开式套管的屈服应力；α为无量纲的长度修正系数；
其中，所述无量纲的长度修正系数α按下式确定：
Figure FDA0002704855070000012
其中，le为杆件有效长度系数；l为对开式套管长度；r和E分别为对开式套管最小半径和弹性模量。
7.如权利要求2所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述夹具(2)包括：U形螺栓(4)和具有孔洞的支撑底座(5)；所述U形螺栓(4)和所述支撑底座(5)相对设置于所述对开式套管外侧；
所述U形螺栓(4)穿过所述支撑底座的孔洞，将所述对开式套管与拟加强的钢管构件紧密固定。
8.如权利要求7所述的钢管塔抗风补强装置，其特征性在于，所述支撑底座(5)与所述拟加强的钢管构件接触侧为弧形结构，且所述弧形结构的半径大于所述钢管构件半径。
9.如权利要求1所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述拟补强钢管塔杆件包裹部分由所述钢管塔构件受力最大杆件确定。
10.如权利要求9所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述钢管塔构件受力最大杆件的确定包括：
通过有限元仿真技术，开展钢管输电塔在下击暴流作用下的风振响应分析，确定钢管塔受力最大杆件。
11.如权利要求4所述的钢管塔构件抗风补强装置，其特征在于，所述杆件整体抗压能力提升值，通过与常规风条件下的所述杆件受力进行对比得到的杆件受力增大幅值确定；所述杆件整体抗压能力提升值不小于所述杆件受力增大幅值。
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