本發(fā)明涉及輸電線路鋼管塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更具體涉及一種輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
：

與傳統(tǒng)的輸電角鋼塔相比，輸電鋼管塔因其風(fēng)壓小、受力性能好等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。但輸電鋼管塔的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造往往比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成為輸電鋼管塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。尤其對(duì)于塔身變坡節(jié)點(diǎn)(變坡節(jié)點(diǎn)在輸電鋼管塔上的位置如圖1所示)，由于該處通常有多根桿件相連，使其上下主管軸線不共線，受力復(fù)雜。目前對(duì)于該處節(jié)點(diǎn)通常有主管對(duì)接焊式、主管板連接式以及主管法蘭螺栓連接式等3種處理方案。其中，前2種通常需要加橫向和縱向加勁肋以防止主管及板的局部屈服，增加了焊接工作量，且焊縫交叉、殘余應(yīng)力大、應(yīng)力集中嚴(yán)重。而主管法蘭螺栓連接式由于具有節(jié)點(diǎn)構(gòu)造清晰、制作加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被用于工程實(shí)踐。然而，它也具有一些缺點(diǎn)，如下法蘭板異形，加工精度要求高，定位困難，法蘭板螺栓多，螺栓受剪等。本文的設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)法蘭螺栓連接式的變坡節(jié)點(diǎn)，如沒有特殊說明，本文下文的變坡節(jié)點(diǎn)均該類節(jié)點(diǎn)。目前，設(shè)計(jì)人員主要參考普通剛性法蘭的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行變坡法蘭的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)通過控制螺栓利用率(或一些構(gòu)造措施)來考慮剪力。即先由平均值(由法蘭所受拉力除以螺栓個(gè)數(shù))計(jì)算螺栓最大拉力，再根據(jù)螺栓最大拉力選擇螺栓規(guī)格(當(dāng)由法蘭螺栓承受剪力時(shí)，留一定裕度)，然后進(jìn)行法蘭板、加勁板及焊縫計(jì)算，結(jié)構(gòu)形式如附圖2所示。

目前有關(guān)輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，尚沒有專門針對(duì)變坡節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一的規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。因此，各個(gè)設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)時(shí)，都是根 據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)和理解進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的變坡節(jié)點(diǎn)形式、尺寸各不相同，差別較大。這種情況導(dǎo)致邊坡節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作，過于依賴個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和主觀理解，缺乏延續(xù)性和規(guī)范性，從而導(dǎo)致工作效率低，存在安全隱患，設(shè)計(jì)精度參差不齊，設(shè)計(jì)人員為了安全考慮，進(jìn)而使節(jié)點(diǎn)過于冗余、保守和復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的是提供一種輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，給出了更規(guī)范、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，所述節(jié)點(diǎn)包括上部主管、下部主管和設(shè)置在所述上下主管間的上法蘭盤和下法蘭盤；所述上法蘭盤上設(shè)有支管一；所述下法蘭盤上設(shè)有支管二和支管三；所述上法蘭盤和下法蘭盤上均垂直設(shè)有螺栓和肋板；所述方法包括：

確定所述法蘭盤軸心受拉作用時(shí)，其上受力最大的一個(gè)螺栓的拉力

確定所述法蘭盤受拉力或壓力和彎力共同作用時(shí)，其上受力最大的一個(gè)螺栓的拉力

確定所述拉力和所述拉力的最大值

根據(jù)所述上部主管的變坡處的管徑確定所述肋板高度；

根據(jù)所述肋板高度和所述確定肋板厚度；

根據(jù)所述確定所述法蘭盤厚度。

所述拉力通過下式確定：

式中：N為法蘭所受的拉力；n為法蘭盤上螺栓數(shù)目，為螺栓受拉承 載力設(shè)計(jì)值。

所述拉力通過下式確定：

式中：M為法蘭所受的彎矩，N為法蘭所受的軸心作用力，Y_i為螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離，Y₁為受力最大螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離；

當(dāng)時(shí)，取法蘭所連接的鋼管外徑一半的0.8倍為旋轉(zhuǎn)軸；

當(dāng)時(shí)，取法蘭所連接的鋼管中心為旋轉(zhuǎn)軸；

r₂為法蘭所連接的鋼管外壁半徑。

所述肋板高度通過下式確定：

0.5D_s≤h_u≤0.6D_s

式中：h_u為最優(yōu)加勁肋長(zhǎng)度，D_s為變坡處上主材管徑。

所述肋板厚度t通過下式聯(lián)立確定：

0.5D_s≤h_u≤0.6D_s

其中，h＝h_u，e為螺栓中心距鋼管外壁的水平距離，f_v為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，f為鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

所述法蘭盤厚度通過下式確定：

其中，M_max為法蘭盤中的最大彎矩，f為鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

所述最大彎矩M_max通過下式確定：

其中，β為彎矩系數(shù)，q為法蘭盤上均布荷載，L_x為所述法蘭盤受力中的自由邊。

所述法蘭盤上均布荷載通過下式確定：

其中，L_y為所述法蘭盤受力中的固定邊。

所述肋板數(shù)量與所述螺栓個(gè)數(shù)相同，且取偶數(shù)個(gè)。

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明技術(shù)方案綜合考慮了螺栓個(gè)數(shù)、變坡節(jié)點(diǎn)上下鋼管的直徑、壁厚、加勁肋的高度、厚度等因素的影響，通過構(gòu)建數(shù)值仿真模型和實(shí)體試驗(yàn)，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響，根據(jù)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)歸納不同設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，給出了更規(guī)范、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；

2、本發(fā)明技術(shù)方案與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，具有更好的規(guī)范性、適用性；

3、本發(fā)明技術(shù)方案減少過于依賴個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和主觀理解，克服缺乏延續(xù)性和規(guī)范性的問題；

4、本發(fā)明技術(shù)方案工作效率高，存在較少安全隱患，設(shè)計(jì)精度高；

5、本發(fā)明技術(shù)方案克服了設(shè)計(jì)人員為了安全考慮，進(jìn)而使節(jié)點(diǎn)過于冗余、保守和復(fù)雜的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)在整塔上的位置圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例法蘭螺栓式變坡節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式示意示意圖；

圖3為圖2中1-1的剖視圖；

圖4為圖2中2-2的剖視圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例取管外壁切線為旋轉(zhuǎn)軸示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例取管中心為旋轉(zhuǎn)軸示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例變坡節(jié)點(diǎn)上主材最大應(yīng)力變化規(guī)律及擬合曲線示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例變坡節(jié)點(diǎn)上主材最大應(yīng)力變化規(guī)律及擬合曲線示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例變坡節(jié)點(diǎn)上主材最大應(yīng)力變化規(guī)律及擬合曲線示意圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例變坡節(jié)點(diǎn)水平連接板受力簡(jiǎn)圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

本例的發(fā)明提供一種輸電線路鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮了螺栓個(gè)數(shù)、變坡節(jié)點(diǎn)上下鋼管的直徑、壁厚、加勁肋的高度、厚度等因素的影響，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，在工程應(yīng)用上更便捷、高效。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過構(gòu)建多塔型的數(shù)值模型和實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)裝置布置和結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力后破壞情況。采用理論計(jì)算和試驗(yàn)的方式，計(jì)算分析變坡節(jié)點(diǎn)處鋼管主材的應(yīng)力狀態(tài)，如圖1所示，總結(jié)歸納初主 材管徑與加勁肋高度、厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)的配置關(guān)系。

所述節(jié)點(diǎn)包括如圖2-4所示，上部主管、下部主管和設(shè)置在所述上下主管間的上法蘭盤和下法蘭盤；所述上法蘭盤上設(shè)有支管一；所述下法蘭盤上設(shè)有支管二和支管三連接；所述法蘭盤上垂直設(shè)有螺栓和肋板；所述方法包括如圖11所示：

確定所述法蘭軸心受拉作用時(shí)，其上受力最大的一個(gè)螺栓的拉力

確定所述法蘭受拉力或壓力和彎力共同作用時(shí)，其上受力最大的一個(gè)螺栓的拉力

確定所述拉力和所述拉力的最大值

根據(jù)所述上部主管的變坡處的管徑確定所述肋板高度；

根據(jù)所述肋板高度和所述確定肋板厚度；

根據(jù)所述確定所述法蘭盤厚度。

1.螺栓計(jì)算

軸心受拉作用時(shí)：

式中：——受力最大的一個(gè)螺栓的拉力，N；

N——法蘭所受的拉力，N；

n——法蘭盤上螺栓數(shù)目。

受拉(壓)、彎共同作用時(shí)：

式中：M——法蘭所受的彎矩，N·mm；

N——法蘭所受的軸心作用力，N，壓力時(shí)取用負(fù)值；

Y_i——螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離，mm：

當(dāng)時(shí)，取管外壁切線為旋轉(zhuǎn)軸，參見圖5所示；

當(dāng)時(shí)，取管中心為旋轉(zhuǎn)軸，參見圖6所示；

Y₁——受力最大螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離，mm；

r₂——鋼管外壁半徑，mm。

法蘭螺栓承剪時(shí)，應(yīng)保留一定裕度。

2.加勁肋數(shù)量

加勁肋數(shù)量與螺栓個(gè)數(shù)相同，且取偶數(shù)個(gè)。

3.加勁肋高度

目前，規(guī)范中沒有獨(dú)立明確地規(guī)定加勁肋高度的計(jì)算方法，本發(fā)明通過研究變坡節(jié)點(diǎn)主材最大應(yīng)力隨加勁肋高度變化規(guī)律，進(jìn)行匯總歸納，主材最大應(yīng)力隨加勁肋長(zhǎng)度的增大呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的變化階段：下降階段和平穩(wěn)階段。且從不同塔型的計(jì)算結(jié)果來看，上主材最大應(yīng)力均大于或等于下主材最大應(yīng)力，上主材最大應(yīng)力起控制作用。擬合不同塔型上主材最大應(yīng)力變化規(guī)律的下降階段和平穩(wěn)階段(均用直線擬合)見圖7-9，并求得下降段直線和平穩(wěn)段直線的交點(diǎn)取值，作為加緊肋高度最優(yōu)值，并歸納初下式。

0.5D_s≤h_u≤0.6D_s (3)

式中：h_u為最優(yōu)加勁肋長(zhǎng)度，D_s為變坡處上主材管徑。

4.加勁肋厚度

有加勁法蘭的加勁板，當(dāng)采用角焊縫時(shí)，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

剪應(yīng)力：

正應(yīng)力：

式中：h為加勁肋長(zhǎng)度，t為加勁肋厚度，e為螺栓中心距鋼管外壁的水平距離，為受力最大一個(gè)螺栓的拉力，f_v為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，f為鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

聯(lián)立式(4)和式(5)，可得：

聯(lián)立式(3)、式(6)及式(7)得：

在不同的計(jì)算模型中對(duì)公式(8)進(jìn)行驗(yàn)證，保持?jǐn)M合最優(yōu)加勁肋長(zhǎng)度不變，加勁肋厚度從0mm開始逐級(jí)遞增加勁肋厚度，勁肋厚度達(dá)到公式(8)限值后，節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)已趨平穩(wěn)，且符合節(jié)點(diǎn)構(gòu)造受力要求，繼續(xù)增大加勁肋厚度后，節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)改善效果很小。此時(shí)，加勁肋厚度一般比變坡節(jié)點(diǎn)上主材壁厚小1-2mm，或等于上主材壁厚。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可按公式(8)對(duì)加勁肋厚度進(jìn)行取值，然后進(jìn)行驗(yàn)算微調(diào)。

5.水平連接板厚度

法蘭螺栓式變坡節(jié)點(diǎn)的水平連接板厚度，參照有加勁法蘭的法蘭板，應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1)受力簡(jiǎn)圖可按照三邊支撐板確定(兩邊固定、一邊簡(jiǎn)支，見附圖10)：板上均布荷載：

2)板中最大彎矩：

3)法蘭板厚度：

式中：t——法蘭板厚度,mm。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。