CN112818506B - 输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及输电铁塔设计领域，旨在解决挂点受力模式复杂，工程设计中难以实现结构设计和校验的问题，提供输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，挂线角钢的一面上设置有挂线孔、另一面上设有螺栓孔群；螺栓群的空间拉弯耦合效应计算时，螺栓群绕Y轴弯曲的中和轴IY‑Y为螺栓群中心位置，绕X轴弯曲的中和轴IX‑X为X向最外排螺栓与肢边的中心线；空间拉弯效应计算，把外力F转化到X、Y两个方向后，再进行内力计算；根据中和轴计算X、Y方向弯矩所产生的轴拉内力，进而与FZ产生的螺栓轴拉力进行叠加，得到螺栓的轴拉合力；螺栓群的扭转效应计算，以X、Y两个方向中和轴交点为扭转中心进行计算。本发明的有益效果是设计验算合理可靠，设计方法首次提出。

Description

输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法
技术领域
本发明涉及输电铁塔设计领域，具体而言，涉及输电塔挂线角钢螺栓群连接节点空间受力设计方法。
背景技术
随着输电线路铁塔荷载的不断攀升，输电塔的结构设计就显得十分重要，而挂线角钢节点作为传递导线荷载的核心连接，其重要性愈发突出。工程中为了方便导线金具的安装和拆卸，导线挂点通常采用短角钢头螺栓连接(即挂线角钢连接节点)。
工程设计中缺乏对导线挂点连接螺栓群受力的相关研究，杆塔设计规范也没有给出挂点螺栓的设计方法。
挂点受力为空间三维受力，承受导线水平风荷载、纵向线条张力荷载和垂直荷载，其三维空间受力模式比传统的梁柱节点的平面受力模式要复杂，工程设计中缺乏对导线挂点连接螺栓群受力的相关研究，杆塔设计规范也没有给出挂点螺栓的设计方法。
发明内容
本发明旨在提供一种输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，以解决前述的问题。
本方案是这样实现的：
一种输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，挂线角钢的一面上设置有挂线孔、另一面上设有沿XY面规律分布的用于连接螺栓群的螺栓孔群；其中X方向平行于挂线角钢的延伸方向、Y方向垂直于挂线角钢的延伸方向；
螺栓群的空间拉弯耦合效应计算，螺栓群绕Y轴弯曲的中和轴IY-Y为螺栓群中心位置，绕X轴弯曲的中和轴IX-X为X向最外排螺栓与肢边的中心线；
空间拉弯效应计算，把外力F转化到XY两个方向后，再进行内力计算；根据中和轴计算XY方向弯矩所产生的螺栓轴拉内力，进而与FZ产生的螺栓轴拉力进行叠加，最终得到螺栓的轴拉合力；
螺栓群的扭转效应计算，以XY两个方向中和轴交点OXY为扭转中心进行计算。
在一种实施方式中：
对于空间拉弯耦合效应，外力F绕Y轴弯曲的弯矩和弯矩产生的轴拉力计算按下式：
MY-Y＝FZK-FXS (1)
Figure BDA0002863745950000021
外力F绕X轴弯曲的弯矩和弯矩产生的轴拉力计算按下式，其中FY按照最不利情形计算：
MX-X＝FZLXY+|FY|S (3)
Figure BDA0002863745950000022
螺栓群总的轴拉力按下式计算：
Ni＝F/n+NXi+NYi (5)
式中，MY-Y为挂点绕Y轴弯曲的弯矩；MX-X为挂点绕X轴弯曲的弯矩；FX为挂点在X轴方向的外荷载；FY为挂点在Y轴方向的外荷载；FZ为挂点Z轴方向的外荷载；K为挂线孔中心到IY-Y轴在X方向的垂直距离；S为挂线孔中心O挂到螺栓群形心O0所在平面的垂直距离；LXY为挂线孔中心到IX-X轴在Y轴方向的垂直距离；n为螺栓的数量；下标i表示第i个螺栓的编号。
在一种实施方式中：
对于螺栓群的扭转效应计算，螺栓剪力按照下式进行计算：
Figure BDA0002863745950000023
Figure BDA0002863745950000024
Figure BDA0002863745950000025
Figure BDA0002863745950000026
式中，VXi为第i颗螺栓X轴方向的剪力；VYi为第i颗螺栓Y轴方向的剪力；
Figure BDA0002863745950000027
为螺栓群承受绕OXY扭转中心的扭矩；LXi为第i颗螺栓距离IY-Y轴的距离；LYi为第i颗螺栓距离IX-X轴的距离。
在一种实施方式中：
还包括螺栓设计验算步骤；螺栓设计验算主要进行拉剪耦合验算和承压验算，按照下式进行验算：
Figure BDA0002863745950000031
Figure BDA0002863745950000032
Figure BDA0002863745950000033
Figure BDA0002863745950000034
Figure BDA0002863745950000035
式中，
Figure BDA0002863745950000036
为单个螺栓受拉承载力设计值；
Figure BDA0002863745950000037
为单个螺栓受剪承载力设计值；
Figure BDA0002863745950000038
为单个螺栓承压承载力设计值；
Figure BDA0002863745950000039
为螺栓抗拉强度设计值；
Figure BDA00028637459500000310
为螺栓抗剪强度设计值；
Figure BDA00028637459500000311
为螺栓承压强度设计值；de为螺栓有效直径；d为螺栓螺杆直径；∑t为受力方向较小板总厚；N、V为最不利受力螺栓的轴拉力和剪力设计值；
式(13)和式(14)成立时，验算通过；否则验算不通过。
在一种实施方式中：
挂线角钢用于与所承载的导线的导线金具连接。
在一种实施方式中：
两个挂线角钢的设置挂孔的一面相对设置、设置螺栓群的一面共面地连接于横担之间的连接架上，连接架并不限于该种型式，可以适用于输电塔所有可以用于连接挂线角钢的位置。
本方案考虑挂点两个正交方向的空间受力耦合效应，分别计算两个正交方向弯曲所产生的螺栓轴拉力效应，基于假定的中和轴交点计算螺栓群的剪力效应，最后对挂点螺栓进行设计验算，具有设计验算合理可靠的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1中示出了本发明实施例中的挂线角钢节点的正向视图；
图2为图1的侧向视图；
图3为挂点角钢节点空间受力计算图示。
图标：挂线角钢10、第一面11、挂线孔13、第二面12、螺栓群14、横担20、连接架21。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
实施例
参见图1-图3，本实施例提出一种输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，挂线角钢10的第一面11上设置有挂线孔13、第二面12上设有沿XY面矩阵分布的用于连接螺栓群14的螺栓孔群，XY面和第二面13重合；其中X方向平行于挂线角钢的延伸方向、Y方向垂直于挂线角钢的延伸方向；Z方向垂直于XY面。
本实施例中示出的挂线角钢的第二面上连接有3行4列的螺栓群，X方向3排、Y方向4排，连接螺栓布置并不限于图中所示布置，其他规律布置均适用。
螺栓群的空间拉弯耦合效应计算时，螺栓群绕Y轴弯曲的中和轴IY-Y为螺栓群中心位置，绕X轴弯曲的中和轴IX-X为X向最外排螺栓与肢边的中心线；
空间拉弯效应计算，把外力F分解到XY两个方向后，再进行内力计算；根据中和轴计算X、Y方向弯矩所产生的螺栓轴拉内力，进而与FZ产生的螺栓轴拉力进行叠加，最终得到螺栓的轴拉合力；
螺栓群的扭转效应计算，以XY两个方向中和轴交点OXY为扭转中心进行计算。
本实施例中，对于空间拉弯耦合效应，外力F绕Y轴弯曲的弯矩MY-Y和弯矩产生的轴拉力NYi计算按下式：
MY-Y＝FZK-FXS (1)
Figure BDA0002863745950000051
外力F绕X轴弯曲的弯矩Mx-x和弯矩产生的轴拉力Nxi计算按下式，其中FY按照最不利情形计算：
MX-X＝FZLXY+|FY|S (3)
Figure BDA0002863745950000052
螺栓群总的轴拉力Ni按下式计算：
Ni＝F/n+NXi+NYi (5)
式中，MY-Y为挂点绕Y轴弯曲的弯矩；MX-X为挂点绕X轴弯曲的弯矩；FX为挂点在X轴方向的外荷载；FY为挂点在Y轴方向的外荷载；FZ为挂点Z轴方向的外荷载；K为挂线孔中心到IY-Y轴在X方向的垂直距离；S为挂线孔中心O挂到螺栓群形心O0所在平面的垂直距离；LXY为挂线孔中心到IX-X轴在Y轴方向的垂直距离；n为螺栓的数量；下标i表示第i个螺栓的编号。
本实施例中，对于螺栓群的扭转效应计算，螺栓剪力按照下式进行计算：
Figure BDA0002863745950000053
Figure BDA0002863745950000054
Figure BDA0002863745950000055
Figure BDA0002863745950000056
式中，VXi为第i颗螺栓X轴方向的剪力；VYi为第i颗螺栓Y轴方向的剪力；
Figure BDA0002863745950000057
为螺栓群承受绕OXY扭转中心的扭矩；LXi为第i颗螺栓距离IY-Y轴的距离；LYi为第i颗螺栓距离IX-X轴的距离。
本实施例中，还包括螺栓设计验算步骤；螺栓设计验算主要进行拉剪耦合验算和承压验算，按照下式进行验算：
Figure BDA0002863745950000058
Figure BDA0002863745950000059
Figure BDA0002863745950000061
Figure BDA0002863745950000062
Figure BDA0002863745950000063
式中，
Figure BDA0002863745950000064
为单个螺栓受拉承载力设计值；
Figure BDA0002863745950000065
为单个螺栓受剪承载力设计值；
Figure BDA0002863745950000066
为单个螺栓承压承载力设计值；
Figure BDA0002863745950000067
为螺栓抗拉强度设计值；
Figure BDA0002863745950000068
为螺栓抗剪强度设计值；
Figure BDA0002863745950000069
为螺栓承压强度设计值；de为螺栓有效直径；d为螺栓螺杆直径；∑t为受力方向较小板总厚；N、V为最不利受力螺栓的轴拉力和剪力设计值；
式(13)和式(14)成立时，验算通过；否则验算不通过。
配合参见图1，本实施例中的挂线角钢用于与所承载的导线的导线金具连接。两个挂线角钢的设置挂孔的一面相对设置、设置螺栓群的一面共面地连接于横担20之间的连接架21上，连接架并不限于该种型式，可以适用于输电塔所有可以用于连接挂线角钢的位置。
本方案考虑挂点两个正交方向的空间受力耦合效应，分别计算两个正交方向弯曲所产生的螺栓轴拉力效应，基于假定的中和轴交点计算螺栓群的剪力效应，最后对挂点螺栓进行设计验算，具有设计验算合理可靠的有益效果，具有较高的创新性，首次提出了该种设计方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，其特征在于：
挂线角钢的一面上设置有挂线孔、另一面上设有沿XY面规律分布的用于连接螺栓群的螺栓孔群；其中X方向平行于挂线角钢的延伸方向、Y方向垂直于挂线角钢的延伸方向；
螺栓群的空间拉弯耦合效应计算，螺栓群绕Y轴弯曲的中和轴IY-Y为螺栓群中心位置，绕X轴弯曲的中和轴IX-X为X向最外排螺栓与肢边的中心线；
空间拉弯效应计算，把外力F转化到X、Y两个方向后，再进行内力计算；根据中和轴计算XY方向弯矩所产生的螺栓轴拉内力，进而与FZ产生的螺栓轴拉力进行叠加，最终计算得到螺栓的轴拉合力；
螺栓群的扭转效应计算，以XY两个方向中和轴交点OXY为扭转中心进行计算；
对于空间拉弯耦合效应，外力F绕Y轴弯曲的弯矩和弯矩产生的轴拉力计算按下式：
MY-Y＝FZK-FXS (1)
Figure FDA0003653598110000011
外力F绕X轴弯曲的弯矩和弯矩产生的轴拉力计算按下式，其中FY按照最不利情形计算：
MX-X＝FZLXY+|FY|S (3)
Figure FDA0003653598110000012
螺栓群总的轴拉力按下式计算：
Ni＝F/n+NXi+NYi (5)
式中，MY-Y为挂点绕Y轴弯曲的弯矩；MX-X为挂点绕X轴弯曲的弯矩；FX为挂点在X轴方向的外荷载；FY为挂点在Y轴方向的外荷载；FZ为挂点Z轴方向的外荷载；K为挂线孔中心到IY-Y轴在X方向的垂直距离；S为挂线孔中心O挂到螺栓群形心O0所在平面的垂直距离；LXY为挂线孔中心到IX-X轴在Y轴方向的垂直距离；n为螺栓的数量；下标i表示第i个螺栓的编号；LXi为第i颗螺栓距离IY-Y轴的距离；LYi为第i颗螺栓距离IX-X轴的距离。
2.根据权利要求1所述的输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，其特征在于：
对于螺栓群的扭转效应计算，螺栓剪力按照下式进行计算：
Figure FDA0003653598110000021
Figure FDA0003653598110000022
Figure FDA0003653598110000023
Figure FDA0003653598110000024
式中，VXi为第i颗螺栓X轴方向的剪力；VYi为第i颗螺栓Y轴方向的剪力；
Figure FDA0003653598110000025
为螺栓群承受绕OXY扭转中心的扭矩；LXi为第i颗螺栓距离IY-Y轴的距离；LYi为第i颗螺栓距离IX-X轴的距离。
3.根据权利要求1或2所述的输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，其特征在于：
还包括螺栓设计验算步骤；螺栓设计验算主要进行拉剪耦合验算和承压验算，按照下式进行验算：
Figure FDA0003653598110000031
Figure FDA0003653598110000032
Figure FDA0003653598110000033
Figure FDA0003653598110000034
Figure FDA0003653598110000035
式中，
Figure FDA0003653598110000036
为单个螺栓受拉承载力设计值；
Figure FDA0003653598110000037
为单个螺栓受剪承载力设计值；
Figure FDA0003653598110000038
为单个螺栓承压承载力设计值；ft b为螺栓抗拉强度设计值；
Figure FDA0003653598110000039
为螺栓抗剪强度设计值；
Figure FDA00036535981100000310
为螺栓承压强度设计值；de为螺栓有效直径；d为螺栓螺杆直径；∑t为受力方向较小板总厚；N、V为最不利受力螺栓的轴拉力和剪力设计值；
式(13)和式(14)成立时，验算通过；否则验算不通过。
4.根据权利要求1所述的输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，其特征在于：
挂线角钢用于与所承载的导线的导线金具连接。
5.根据权利要求1所述的输电塔挂线角钢螺栓群空间受力设计方法，其特征在于：
两个挂线角钢的设置挂孔的一面相对设置、设置螺栓群的一面共面地连接于横担之间的连接架上。
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