一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法与流程

本发明涉及输电线路钢管塔结构设计，更具体涉及一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法。

背景技术：
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与传统的输电角钢塔相比，输电钢管塔因其风压小、受力性能好等优点，近年来得到了广泛的应用。但输电钢管塔的节点构造往往比较复杂，节点设计成为输电钢管塔设计的重要环节。尤其对于塔身变坡节点(变坡节点在输电钢管塔上的位置如图1所示)，由于该处通常有多根杆件相连，使其上下主管轴线不共线，受力复杂。目前对于该处节点通常有主管对接焊式、主管板连接式以及主管法兰螺栓连接式等3种处理方案。其中，前2种通常需要加横向和纵向加劲肋以防止主管及板的局部屈服，增加了焊接工作量，且焊缝交叉、残余应力大、应力集中严重。而主管法兰螺栓连接式由于具有节点构造清晰、制作加工简单等优点，越来越多地被用于工程实践。然而，它也具有一些缺点，如下法兰板异形，加工精度要求高，定位困难，法兰板螺栓多，螺栓受剪等。本文的设计方法主要针对法兰螺栓连接式的变坡节点，如没有特殊说明，本文下文的变坡节点均该类节点。目前，设计人员主要参考普通刚性法兰的设计方法进行变坡法兰的设计，在设计时通过控制螺栓利用率(或一些构造措施)来考虑剪力。即先由平均值(由法兰所受拉力除以螺栓个数)计算螺栓最大拉力，再根据螺栓最大拉力选择螺栓规格(当由法兰螺栓承受剪力时，留一定裕度)，然后进行法兰板、加劲板及焊缝计算，结构形式如附图2所示。

目前有关输电线路钢管塔变坡节点的设计计算中，尚没有专门针对变坡节点的统一的规范的设计计算方法。因此，各个设计单位在设计时，都是根 据自身的经验和理解进行设计，设计出的变坡节点形式、尺寸各不相同，差别较大。这种情况导致边坡节点的设计工作，过于依赖个人的经验和主观理解，缺乏延续性和规范性，从而导致工作效率低，存在安全隐患，设计精度参差不齐，设计人员为了安全考虑，进而使节点过于冗余、保守和复杂。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法，给出了更规范、系统的设计方法，为输电线路钢管塔变坡节点的设计提供依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法，所述节点包括上部主管、下部主管和设置在所述上下主管间的上法兰盘和下法兰盘；所述上法兰盘上设有支管一；所述下法兰盘上设有支管二和支管三；所述上法兰盘和下法兰盘上均垂直设有螺栓和肋板；所述方法包括：

确定所述法兰盘轴心受拉作用时，其上受力最大的一个螺栓的拉力

确定所述法兰盘受拉力或压力和弯力共同作用时，其上受力最大的一个螺栓的拉力

确定所述拉力和所述拉力的最大值

根据所述上部主管的变坡处的管径确定所述肋板高度；

根据所述肋板高度和所述确定肋板厚度；

根据所述确定所述法兰盘厚度。

所述拉力通过下式确定：

式中：N为法兰所受的拉力；n为法兰盘上螺栓数目，为螺栓受拉承 载力设计值。

所述拉力通过下式确定：

式中：M为法兰所受的弯矩，N为法兰所受的轴心作用力，Y_i为螺栓中心到旋转轴的距离，Y₁为受力最大螺栓中心到旋转轴的距离；

当时，取法兰所连接的钢管外径一半的0.8倍为旋转轴；

当时，取法兰所连接的钢管中心为旋转轴；

r₂为法兰所连接的钢管外壁半径。

所述肋板高度通过下式确定：

0.5D_s≤h_u≤0.6D_s

式中：h_u为最优加劲肋长度，D_s为变坡处上主材管径。

所述肋板厚度t通过下式联立确定：

0.5D_s≤h_u≤0.6D_s

其中，h＝h_u，e为螺栓中心距钢管外壁的水平距离，f_v为钢材的抗剪强度设计值，f为钢材的抗拉强度设计值。

所述法兰盘厚度通过下式确定：

其中，M_max为法兰盘中的最大弯矩，f为钢材的抗拉强度设计值。

所述最大弯矩M_max通过下式确定：

其中，β为弯矩系数，q为法兰盘上均布荷载，L_x为所述法兰盘受力中的自由边。

所述法兰盘上均布荷载通过下式确定：

其中，L_y为所述法兰盘受力中的固定边。

所述肋板数量与所述螺栓个数相同，且取偶数个。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案综合考虑了螺栓个数、变坡节点上下钢管的直径、壁厚、加劲肋的高度、厚度等因素的影响，通过构建数值仿真模型和实体试验，研究不同设计参数对节点受力的影响，根据研究和试验数据总结归纳不同设计参数之间的关系，给出了更规范、系统的设计方法，为输电线路钢管塔变坡节点的设计提供依据；

2、本发明技术方案与传统的设计方法相比，具有更好的规范性、适用性；

3、本发明技术方案减少过于依赖个人的经验和主观理解，克服缺乏延续性和规范性的问题；

4、本发明技术方案工作效率高，存在较少安全隐患，设计精度高；

5、本发明技术方案克服了设计人员为了安全考虑，进而使节点过于冗余、保守和复杂的问题。

附图说明

图1为本发明实施例钢管塔变坡节点在整塔上的位置图；

图2为本发明实施例法兰螺栓式变坡节点结构形式示意示意图；

图3为图2中1-1的剖视图；

图4为图2中2-2的剖视图；

图5为本发明实施例取管外壁切线为旋转轴示意图；

图6为本发明实施例取管中心为旋转轴示意图；

图7为本发明实施例变坡节点上主材最大应力变化规律及拟合曲线示意图；

图8为本发明实施例变坡节点上主材最大应力变化规律及拟合曲线示意图；

图9为本发明实施例变坡节点上主材最大应力变化规律及拟合曲线示意图；

图10为本发明实施例变坡节点水平连接板受力简图；

图11为本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法，综合考虑了螺栓个数、变坡节点上下钢管的直径、壁厚、加劲肋的高度、厚度等因素的影响，与传统的设计方法相比，在工程应用上更便捷、高效。

为达到上述目的，本发明通过构建多塔型的数值模型和实体试验模型，试验装置布置和结构达到极限承载力后破坏情况。采用理论计算和试验的方式，计算分析变坡节点处钢管主材的应力状态，如图1所示，总结归纳初主 材管径与加劲肋高度、厚度等设计参数的配置关系。

所述节点包括如图2-4所示，上部主管、下部主管和设置在所述上下主管间的上法兰盘和下法兰盘；所述上法兰盘上设有支管一；所述下法兰盘上设有支管二和支管三连接；所述法兰盘上垂直设有螺栓和肋板；所述方法包括如图11所示：

确定所述法兰轴心受拉作用时，其上受力最大的一个螺栓的拉力

确定所述法兰受拉力或压力和弯力共同作用时，其上受力最大的一个螺栓的拉力

确定所述拉力和所述拉力的最大值

根据所述上部主管的变坡处的管径确定所述肋板高度；

根据所述肋板高度和所述确定肋板厚度；

根据所述确定所述法兰盘厚度。

1.螺栓计算

轴心受拉作用时：

式中：——受力最大的一个螺栓的拉力，N；

N——法兰所受的拉力，N；

n——法兰盘上螺栓数目。

受拉(压)、弯共同作用时：

式中：M——法兰所受的弯矩，N·mm；

N——法兰所受的轴心作用力，N，压力时取用负值；

Y_i——螺栓中心到旋转轴的距离，mm：

当时，取管外壁切线为旋转轴，参见图5所示；

当时，取管中心为旋转轴，参见图6所示；

Y₁——受力最大螺栓中心到旋转轴的距离，mm；

r₂——钢管外壁半径，mm。

法兰螺栓承剪时，应保留一定裕度。

2.加劲肋数量

加劲肋数量与螺栓个数相同，且取偶数个。

3.加劲肋高度

目前，规范中没有独立明确地规定加劲肋高度的计算方法，本发明通过研究变坡节点主材最大应力随加劲肋高度变化规律，进行汇总归纳，主材最大应力随加劲肋长度的增大呈现出两个不同的变化阶段：下降阶段和平稳阶段。且从不同塔型的计算结果来看，上主材最大应力均大于或等于下主材最大应力，上主材最大应力起控制作用。拟合不同塔型上主材最大应力变化规律的下降阶段和平稳阶段(均用直线拟合)见图7-9，并求得下降段直线和平稳段直线的交点取值，作为加紧肋高度最优值，并归纳初下式。

0.5D_s≤h_u≤0.6D_s (3)

式中：h_u为最优加劲肋长度，D_s为变坡处上主材管径。

4.加劲肋厚度

有加劲法兰的加劲板，当采用角焊缝时，应按下列公式计算：

剪应力：

正应力：

式中：h为加劲肋长度，t为加劲肋厚度，e为螺栓中心距钢管外壁的水平距离，为受力最大一个螺栓的拉力，f_v为钢材的抗剪强度设计值，f为钢材的抗拉强度设计值。

联立式(4)和式(5)，可得：

联立式(3)、式(6)及式(7)得：

在不同的计算模型中对公式(8)进行验证，保持拟合最优加劲肋长度不变，加劲肋厚度从0mm开始逐级递增加劲肋厚度，劲肋厚度达到公式(8)限值后，节点受力状态已趋平稳，且符合节点构造受力要求，继续增大加劲肋厚度后，节点受力状态改善效果很小。此时，加劲肋厚度一般比变坡节点上主材壁厚小1-2mm，或等于上主材壁厚。设计计算时，可按公式(8)对加劲肋厚度进行取值，然后进行验算微调。

5.水平连接板厚度

法兰螺栓式变坡节点的水平连接板厚度，参照有加劲法兰的法兰板，应按下列公式计算：

1)受力简图可按照三边支撑板确定(两边固定、一边简支，见附图10)：板上均布荷载：

2)板中最大弯矩：

3)法兰板厚度：

式中：t——法兰板厚度,mm。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。