窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法
【专利摘要】本发明公开了 一种窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法，具体为：（1）保持其主材坡度不变，变化其根开、主材规格以实现变化塔腿主斜材夹角及主材长细比，（2）在已调整的整塔模型基础上，截取塔腿部分，设计制作试验模型，（3）依据试验模型设计需满足的相似准则，确定各试件的加荷大小，（4）主材规格确定之后，为了研究输电塔塔腿主材在接近满利用率即100％设计荷载状态下塔腿主材的次应力大小，将原塔荷载放大或缩小了一定的倍数进行设计。可使得在实际的窄基输电钢管塔设计中，充分考虑到由节点刚度产生的次应力的不利影响，能够更加精确的把握设计裕度,使设计更加安全、经济。
【专利说明】窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种窄基输电钢管塔空间塔腿结构，特别是一种窄基输电钢管塔空间塔腿在结构方面的测试方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]窄基输电钢管塔因占地面积小、挺拔美观在输电线路走廊狭窄的城市用地上广泛使用。输电铁塔在进行设计计算时，采用的是整体空间桁架模型，即以整个塔架为空间超静定体系，把所有节点都作为理想的铰接来考虑。这样所有塔柱、斜杆与横杆只有轴向力作用。由于窄基输电钢管塔根开小，主材规格大，当采用法兰连接时，节点的刚度比较大。节点刚性限制杆件间夹角的变化，造成杆件弯曲，由此产生的杆端弯矩具有二阶效应的性质，称为次弯矩，相应的应力称为次应力。当次弯矩对结构内力影响显著时必须考虑其影响，次应力的存在使得输电塔采用常规线性理论的设计偏于不安全。
[0004]对于钢管结构，《钢结构设计规范》(GB50017-2003)10.1.4条规定:在桁架平面内，杆件的节间长度或杆件长度与截面的高度之比对主管而言不小于12，即主管对应长细比为34时，结构模型才能按桁架计算，而实际上窄基塔在结构布置上较难满足这一要求。8.4.5条文说明中认为可忽略不计的次应力影响限制在20%左右比较合适。《架空输电线路钢管塔设计技术规定》DL/T5254-2010对斜材和主材的夹角做出了限制，并指出塔腿主材与斜材夹角不宜小于20度。通过有限元数值计算也得出，当塔腿主斜材夹角小于30度时，次应力会有显著提高。考虑到实际窄基输电钢管塔设计中塔腿主斜材夹角较难满足大于30度的条件，因此设计并通过空间塔腿结构试验，明确次应力的影响因素，探究各因素对塔腿主材次应力的影响规律及其影响权重，考查塔腿主材的破坏模式及其设计的极限承载力，对实际的工程设计具有参考意义。
[0005]目前对于输电钢管塔的加载试验主要是真型塔加载试验，但真型塔试验通常是对某一基塔进行，是工程验证性试验，无法得到设计参数对主材次应力的影响。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种基于窄基钢管塔整塔模型的有限元参数分析，能较真实的模拟试验塔腿在控制工况下的实际受力情况，研究了塔腿主斜材夹角、主材长细比、主材分格形式对塔腿次应力的影响规律，以及塔腿主材的破坏模式及其设计极限承载力的窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法。
[0007]—种窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法，考虑条件为:(1)保持其主材坡度不变，变化其根开、主材规格以实现变化塔腿主斜材夹角及主材长细比，(2)在已调整的整塔模型基础上，截取塔腿部分，设计制作试验模型，(3)依据试验模型设计需满足的相似准则，确定各试件的加荷大小，(4))主材规格确定之后，为了研究输电塔塔腿主材在接近满利用率即100%设计荷载状态下塔腿主材的次应力大小，将原塔荷载放大或缩小了一定的倍数进行设计，其具体为:试验分为三组进行:试验模型第一组试件为角度对照组，保持塔腿主材长细比不变，变化塔腿主斜材夹角，选取了 Ii1 Cn3^ 3)个不同的角度；试验模型第二组试件为长细比对照组，保持主斜材夹角不变，变化主材长细比，选取n2 Cn3^ 3)种长细比；试验模型第三组试件为塔腿主材分格形式对照组，主斜材夹角不变，长细比不变，用于考虑不同的塔腿分格形式对主材次应力的影响，分别为一分格及两分格两种形式；在测试时，将塔腿固支于试验台座上，将施力装置安装于反力架上，施力装置分设于塔腿的X、Y、Z三个方位，从三个方向施力；在每个试验塔腿上沿高度布置了 H3 Cn3^ 3)个断面共3* η 3个应变片测点，用于监测试验加载过程中塔腿主材的应力；在试验塔腿顶端布置了复数个位移计用于监测加载过程中试验塔腿的X、1、ζ三个方向的位移；
在每个塔腿结构模型加载多次，即完成试件的第一个塔腿加载之后，全部卸载，起吊试件、掉转第二个塔腿至加载处重新进行安装定位，进行该试件的第二个塔腿的加载，之后卸载，起吊试件、掉转第三个塔腿至加载处重新进行安装定位，再进行第三个塔腿的加载，如此，每个试件可获得三次在加载过程中测点的应变和位移试验数据，以对比校验试验结果，经过上述试验可得出塔腿结构次应力较大的截面位置是靠近塔脚处和与横辅助材连接处；
塔腿主材次应力随主斜材夹角的增大而减小；
塔腿主材次应力随主材长细比的增大而减小，但数值差别不大，主材长细比不是塔腿主材次应力的主要影响因素；
塔腿辅助材分格不同，塔腿最大应力点位置和变形特点不同。塔腿辅助材二分格时塔腿最大应力点在塔脚内侧，其变形有明显的反弯点；塔腿辅助材一分格时，塔腿最大应力点在塔脚外侧，变形无反弯点；
塔腿主斜材夹角和塔腿主材长细比相同时，主材两分格时的次应力比远大于主材一分格时的次应力比，设计时应留有更大的裕度，从而根据上述结果可进行塔腿结构的设计，达到即符合规范，又能最大限度的节约成本。
[0008]综上所述的，本发明相比现有技术如下优点:
本发明的窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法，在应用到窄基输电钢管塔设计中，从而考虑到节点刚度产生的次应力的不利影响，能够更加精确的把握设计裕度，使设计更加安全、经济。现有技术中钢管塔塔腿普遍采用主材两分格形式，设计时考虑次应力影响留有一定裕度，通常为10%。本发明的测试方法表明主材两分格时的次应力比(超过40%)远大于主材一分格时的次应力比(不超过20%)，设计时应留有更大的裕度。主材两分格时布置的辅助材实际受力情况比理论计算大，塔腿主斜材夹角越小，辅助材实际受力情况与理论值差距越大。
[0009]
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法的加载方式结构意图。
[0011]图2为塔腿二分格模型示意图。
[0012]图3为塔腿一分格模型示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
[0014]实施例1
基于一基实际设计的窄基输电钢管直线塔，保持其主材坡度不变，变化其根开、主材规格以实现变化塔腿主斜材夹角及主材长细比。在已调整的整塔模型基础上，截取塔腿部分，设计制作试验模型。依据试验模型设计需满足的相似准则，确定各试件的加荷大小。主材规格确定之后，为了研究输电塔塔腿主材在接近满利用率即100 %设计荷载状态下塔腿主材的次应力大小，将原塔荷载放大或缩小了一定的倍数进行设计。
[0015]试验模型第一组为角度对照组，保持塔腿主材长细比36不变，变化塔腿主斜材夹角，选取了 15。、18。、20。、24。、29。、33。、37。七个不同的角度。
[0016]试验模型第二组试件为长细比对照组，保持主斜材夹角33°不变，变化主材长细t匕，选取了 29、36、47三种长细比。
[0017]试验模型第三组试件为塔腿主材分格形式对照组，主斜材夹角为20°，长细比为36，用于考虑不同的塔腿分格形式对主材次应力的影响，分别为一分格及两分格两种形式。
[0018]试验模型加载时使用千斤顶，如图1，4为试验模型，将塔脚固支于试验台座上，I为2000kN竖向千斤顶，2为500kN水平向拉力千斤顶，通过可双向滑动滑板连接于反力架3，5为200kN水平向压力千斤顶，连接于反力架3。
[0019]在每个试验塔腿上沿高度布置了 8个断面共24个应变片测点，用于监测试验加载过程中塔腿主材的应力；在试验塔腿顶端布置了 3个位移计用于监测加载过程中试验塔腿的X、Y、Z三个方向的位移。
[0020]每个塔腿结构模型加载三次，即完成试件的第一个塔腿加载之后，全部卸载，起吊试件、掉转第二个塔腿至加载处重新进行安装定位，进行该试件的第二个塔腿的加载，之后卸载，起吊试件、掉转第三个塔腿至加载处重新进行安装定位，再进行第三个塔腿的加载，如此，每个试件可获得三次在加载过程中测点的应变和位移试验数据，以便对比校验试验结果。
[0021]试验结果表明:
塔腿结构次应力较大的截面位置是靠近塔脚处和与横辅助材连接处；
塔腿主材6次应力随主斜材夹角的增大而减小；
塔腿主材次应力随主材长细比的增大而减小，但数值差别不大，主材长细比不是塔腿主材次应力的主要影响因素；
塔腿辅助材7分格不同，塔腿最大应力点位置和变形特点不同。塔腿辅助材二分格时塔腿最大应力点在塔脚内侧，其变形有明显的反弯点；塔腿辅助材一分格时，塔腿最大应力点在塔脚外侧，变形无反弯点；
塔腿主斜材夹角和塔腿主材长细比相同时,主材两分格时的次应力比(超过40%)远大于主材一分格时的次应力比(不超过20%)。
[0022]主材两分格时布置的辅助材实际受力情况比理论计算大，塔腿主斜材夹角越小，辅助材实际受力情况与理论值差距越大。
[0023]本实施例未述部分与现有技术相同。
【权利要求】
1.一种窄基输电钢管塔空间塔腿结构测试法，其特征在于:考虑条件为:(1)保持其主材坡度不变，变化其根开、主材规格以实现变化塔腿主斜材夹角及主材长细比，(2)在已调整的整塔模型基础上，截取塔腿部分，设计制作试验模型，(3)依据试验模型设计需满足的相似准则，确定各试件的加荷大小，(4)主材规格确定之后，为了研究输电塔塔腿主材在接近满利用率即100%设计荷载状态下塔腿主材的次应力大小，将原塔荷载放大或缩小了一定的倍数进行设计，其具体为:试验分为三组进行:试验模型第一组试件为角度对照组，保持塔腿主材长细比不变，变化塔腿主斜材夹角，选取了 Ii1 Cn1^ 3)个不同的角度；试验模型第二组试件为长细比对照组，保持主斜材夹角不变，变化主材长细比，选取H2 Cn2^ 3)种长细比；试验模型第三组试件为塔腿主材分格形式对照组，主斜材夹角不变，长细比不变，用于考虑不同的塔腿分格形式对主材次应力的影响，分别为一分格及两分格两种形式；在测试时，将塔腿固支于试验台座上，将施力装置安装于反力架上，施力装置分设于塔腿的X、Y、Z三个方位，从三个方向施力；在每个试验塔腿上沿高度布置了 η3 (η3>3)个断面共3* η3个应变片测点，用于监测试验加载过程中塔腿主材的应力；在试验塔腿顶端布置了复数个位移计用于监测加载过程中试验塔腿的X、1、ζ三个方向的位移； 在每个塔腿结构模型加载多次，即完成试件的第一个塔腿加载之后，全部卸载，起吊试件、掉转第二个塔腿至加载处重新进行安装定位，进行该试件的第二个塔腿的加载，之后卸载，起吊试件、掉转第三个塔腿至加载处重新进行安装定位，再进行第三个塔腿的加载，如此，每个试件可获得三次在加载过程中测点的应变和位移试验数据，以对比校验试验结果，经过上述试验可得出塔腿结构次应力较大的截面位置是靠近塔脚处和与横辅助材连接处； 塔腿主材次应力随主斜材夹角的增大而减小； 塔腿主材次应力随主材长细比的增大而减小，但数值差别不大，主材长细比不是塔腿主材次应力的主要影响因素； 塔腿辅助材分格不同，塔腿最大应力点位置和变形特点不同， 塔腿辅助材二分格时塔腿最大应力点在塔脚内侧，其变形有明显的反弯点；塔腿辅助材一分格时，塔腿最大应力点在塔脚外侧，变形无反弯点； 塔腿主斜材夹角和塔腿主材长细比相同时，主材两分格时的次应力比远大于主材一分格时的次应力比，设计时应留有更大的裕度，从而根据上述结果可进行塔腿结构的设计，达到即符合规范，又能最大限度的节约成本。
【文档编号】G01N3/32GK104458455SQ201410729446
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】吴昀, 李天友, 王磊, 叶欣, 张绍周 申请人:国网福建省电力有限公司, 福建永福工程顾问有限公司