一种输电铁塔角钢构件补强结构的制作方法

本实用新型涉及输电铁塔技术领域，尤其涉及一种输电铁塔角钢构件补强结构，主要适用于提高输电铁塔角钢构件的承载力，从而提高角钢构件的安全性能。

背景技术：

我国工业与民用等各领域对电力资源的需求日益增加，然而，由于我国独特的地理特征，电力资源充沛的地区与电力需求紧张的地区往往相隔甚远，这就使得大规模、长距离、跨越复杂环境区的高压、特高压输电线路，成为保障经济社会发展的必备基础设施，而输电铁塔结构的安全可靠，更是输电线路正常运行的基本保障。因此，维持输电铁塔结构的安全可靠十分重要。但铁塔在建设时，通常是根据当时的技术标准、功能要求和使用性能为基础进行设计、建设和施工的，在投入使用多年后，由于各种原因，原来的使用条件会发生改变，如生产规模扩大、外界环境的恶化、使用荷载加大、用途改变等等，铁塔结构不可避免的会出现各种损伤和缺陷。在环境和荷载等因素的作用下，材料经常发生变化，引发宏观力学性能的恶化，从而造成钢结构工程事故。为延长结构的使用寿命、确保铁塔的安全运行和正常使用，我们需对损伤的构件进行修复、补强、加固或更换。然而，更换这些构件将造成巨大的资源浪费，而且会影响到结构的正常使用。因此，我们要不断探索、研究经济高效的加固技术，这既是土木工程领域函待解决的技术问题，同时，更是一个关系到资源有效利用和社会可持续发展的问题。

我国现有的输电线路大多跨越距离长、所处环境复杂，与此同时，存在大量运行时间达20～30年甚至更长的老旧线路。这使得我国输电铁塔结构存在如下问题：(1)施工偏差。铁塔设计或施工中存在着焊接缺陷、杆件中切口过长、焊缝长度不足、漏焊等缺陷使截面强度削弱过多；工艺或生产条件的改变使结构上的荷载增加或荷载作用方向改变，原有结构承载能力不能满足，结构体系不能适应新的使用条件；(2)环境腐蚀。因自然环境因素影响和外界有害介质的腐蚀，钢材会很容易出现锈蚀，而锈蚀会引起构件有效截面的减小，直接导致构件承载力下降。恶劣的外部环境，如高浓度有害介质的环境会加快钢材的锈蚀速度。特别是处于腐蚀气候区、环境污染区等不利环境的输电铁塔，其结构受腐蚀情况普遍，个别铁塔腐蚀严重，威胁到结构安全及运行稳定；(3)服役过长。运行年限较长，乃至接近设计使用年限的输电铁塔，其结构现状不明，部分铁塔结构可靠度大幅降低，难以满足线路的正常运行需求；(4)输容超限。处于经济快速发展地区的输电线路，其运行能力已愈发不堪重负，亟需进行增容改造。而增容改造工作会部分改变输电铁塔的荷载条件，进而对铁塔结构产生不利影响；(5)外部扰动。不断发展的城市化、工业化进程，使得输电铁塔附近常有新建房屋、道路、桥梁等工程活动，会对输电铁塔结构产生扰动，进而对输电铁塔结构产生不同程度的损坏；(6)自然灾害。洪水、滑坡等自然灾害对输电铁塔结构产生不利扰动，损坏铁塔基础及上部构件，降低铁塔结构的可靠性。除上述主要情况外，各种不利因素的作用使得输电铁塔结构的安全性、可靠性存在不同程度的降低。经检测评估确定需进行处理的输电铁塔后，可采取重立新塔、加固补强两种处理措施，而前者由于工期长、造价高等不足，除铁塔结构严重受损外一般不予采用。因此，加固补强成为保障铁塔结构安全、维持线路运行正常的最重要的方法。我国绝大多数输电铁塔为角钢塔，因此对角钢构件的补强技术具有十分重要的实际意义。

中国专利，授权公告号为CN204804442U，授权公告日为2015年11月25日的实用新型公开了一种输电铁塔修补加固装置，包括输电铁塔，输电铁塔上连接有第一连板和第二连板，第一连板和第二连板上设有若干螺栓孔，螺栓孔内设有螺栓，第一连板和第二连板之间连接有两根连杆，连杆一端设在第一连板上，另一端设在第二连板上，第一连板和第二连板通过螺栓固定设在输电铁塔上。虽然该实用新型能提高输电铁塔的工作强度，但是其仍然存在以下缺陷：该实用新型在修补加固时，需要在角钢上开孔，这将使得角钢存在的不利情况进一步加重，从而降低补强效果，同时，该实用新型增设的连杆需要通过连板才能与角钢相连接，这使得操作较为繁琐。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的补强效果差、操作繁琐的缺陷与问题，提供一种补强效果好、操作简便的输电铁塔角钢构件补强结构。

为实现以上目的，本实用新型的技术解决方案是：一种输电铁塔角钢构件补强结构，包括角钢构件以及与其相连接的加固件，所述角钢构件包括垂直连接的一号边与二号边，所述加固件位于一号边与二号边之间，加固件的一端与一号边相连接，加固件的另一端与二号边相连接。

所述加固件为钢板。

所述加固件的一端与一号边之间设置有一号焊缝，加固件的一端通过一号焊缝与一号边相焊接，加固件的另一端与二号边之间设置有二号焊缝，加固件的另一端通过二号焊缝与二号边相焊接。

所述加固件与一号边之间的夹角为45度，加固件与二号边之间的夹角为45度。

所述加固件的厚度与一号边的厚度、二号边的厚度均相等。

所述加固件与一号边的接触点到一号边的非连接端的距离为2t，所述加固件与二号边的接触点到二号边的非连接端的距离为2t，所述一号边的厚度、二号边的厚度、加固件的厚度都为t。

所述角钢构件的形心、加固件的形心、角钢构件补强结构的形心处于同一直线上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、由于本实用新型一种输电铁塔角钢构件补强结构中角钢构件内侧设置有加固件，通过在角钢构件内侧增设加固件来增大构件受荷面积、提升截面惯性矩，从而增加被补强角钢构件的承载力，这样的设计不仅补强效果好，而且操作简便。因此，本实用新型不仅补强效果好、操作简便，而且增强了角钢构件的承载力。

2、由于本实用新型一种输电铁塔角钢构件补强结构中加固件采用钢板以及在钢板与角钢构件之间设置焊缝，均是为了保证焊接质量，从而提高可靠性能；另外，加固件的厚度与角钢构件的厚度相等，不仅可以减小施焊后所产生的焊接变形，而且可以增大构件截面、增加构件刚度，从而提高稳定性和承载能力。因此，本实用新型不仅可靠性高，而且稳定性和承载能力高。

3、由于本实用新型一种输电铁塔角钢构件补强结构中加固件与一号边的接触点到一号边的非连接端的距离为2t，加固件与二号边的接触点到二号边的非连接端的距离为2t，一号边的厚度、二号边的厚度、加固件的厚度都为t，这样的设计不仅保证补强后增设加固件不突出角钢两肢尖远端的连线，从而使得补强效果好、占用空间小，而且便于施工定位，使得操作简便；角钢构件的形心、加固件的形心、角钢构件补强结构的形心处于同一直线上，不仅补强效果好，而且易于计算补强后截面的几何特征值，方便后期的维护。因此，本实用新型不仅补强效果好、占用空间小、操作简便，而且便于后期维护。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中采用常用截面型号的角钢构件的结构示意图。

图3是本实用新型中采用常用截面型号的加固件的结构示意图。

图4是角钢构件截面的结构示意图。

图5是补强后角钢构件截面的结构示意图。

图6是本实用新型中稳定系数提升曲线图。

图7是本实用新型中承载力提升曲线图。

图中：角钢构件1、一号边11、二号边12、加固件2、一号焊缝3、二号焊缝4。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参见图1，一种输电铁塔角钢构件补强结构，包括角钢构件1以及与其相连接的加固件2，所述角钢构件1包括垂直连接的一号边11与二号边12，所述加固件2位于一号边11与二号边12之间，加固件2的一端与一号边11相连接，加固件2的另一端与二号边12相连接。

所述加固件2为钢板。

所述加固件2的一端与一号边11之间设置有一号焊缝3，加固件2的一端通过一号焊缝3与一号边11相焊接，加固件2的另一端与二号边12之间设置有二号焊缝4，加固件2的另一端通过二号焊缝4与二号边12相焊接。

所述加固件2与一号边11之间的夹角为45度，加固件2与二号边12之间的夹角为45度。

所述加固件2的厚度与一号边11的厚度、二号边12的厚度均相等。

所述加固件2与一号边11的接触点到一号边11的非连接端的距离为2t，所述加固件2与二号边12的接触点到二号边12的非连接端的距离为2t，所述一号边11的厚度、二号边12的厚度、加固件2的厚度都为t。

所述角钢构件1的形心、加固件2的形心、角钢构件补强结构的形心处于同一直线上。

本实用新型的原理说明如下：

输电铁塔属于钢结构中的大型桁架结构，而稳定问题通常是关系到钢结构安全的最重要因素，为研究角钢构件的加固方法，则必须从钢结构的损伤机理出发，提出相应的补强加固技术。由于钢材的强度远大于木材、石材、塑料建材、混凝土及其他常见建筑材料的强度，因此，对于大部分钢结构的设计，按允许应力的方法计算，所求得的构件所需的截面面积较小。通常情况下，钢结构构件的截面尺寸是由稳定控制的，钢结构的失稳主要发生在其最基本的轴心受压构件、受弯构件和压弯构件，在钢结构设计计算中保证其构件满足稳定性至关重要。钢结构的失稳问题分为丧失局部稳定性和丧失整体稳定性两类失稳形式，它们都将影响构件或结构的正常承载和使用，或者会引发结构的其他形式破坏。

影响结构整体稳定性的原因主要有以下几点：(1)结构设计的整体稳定性不满足。构件的长细比(即构件的计算长度与其截面回转半径之比)是影响结构整体稳定性中最主要的因素。构件截面两个主轴方向的计算长度可能会有所不同，构件两端的实际支承情况与其理想支承形式之间也会有较大的差异，不能笼统的将所有支承条件都过于理想化。(2)构件的各类初始缺陷。构件中通常存在着各种不可预测或难以消除的初始缺陷，比如轴压构件的偶然偏心误差、热轧和冷加工产生的残余应力、焊接残余应力变形等，在结构稳定分析中，这些缺陷严重影响构件的极限承载力。(3)构件受力条件的改变。钢结构使用荷载和使用条件的改变，如节点的破坏、意外的冲击荷载、超载、基础的不均匀沉降、结构加固过程中计算简图的改变等，造成关键构件应力变大。另外，也经常出现受力体系发生改变，如受拉构件转变为受压构件，从而导致构件整体失稳。(4)施工临时支撑体系不够。在结构的安装过程中，由于结构并未完全成型，不能形成设计时要求的受力整体或其整体刚度较弱，因而需要设置一些临时支撑体系来维持结构或构件的整体稳定。若临时支撑体系不完善，会引发部分构件丧失整体稳定，甚至造成整个结构体系的坍塌或倾覆。

结构构件局部失稳的原因主要有以下几点：(1)构件局部稳定的不满足。在钢结构构件设计中，尤其是组合截面构件，当构件局部稳定不满足规范规定的要求时，如工字钢截面腹板的高厚比超限，则易发生局部失稳。(2)局部受力部位的加劲构造措施不合理。如支座处或者较大集中荷载作用点处，如果不设置支承加劲肋，外力直接传给较薄的腹板，则较易引起这些腹板局部失稳。

现有的加固补强技术主要针对钢筋混凝土民用结构，而对钢结构的加固补强技术则研究较少，对于输电铁塔钢结构加固补强技术的研究，更显不足。基于钢结构损伤机理，目前国内外所提出的补强技术为：杆件替换法、增大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、改变受力体系加固法、粘钢加固法、粘贴碳纤维加固法、阻止钢筋锈蚀法、化学灌浆法、水泥灌浆和喷射修补法等。现取常用补强加固方法分析其存在的局限性。

替换杆件法。目前，对于输电铁塔中存在问题的角钢构件，常用的处理方法是“替换杆件”法，即将原杆件拆除，而将预先加工好的新杆件安装在原有杆位上。但这样的处理方法具有如下不足之处：(1)原塔杆件拆除后，拆除部位对整体结构的局部支撑作用将暂时消失，输电铁塔结构的整体刚度将发生改变，加之输电铁塔体型、荷载均十分巨大，这往往会使整塔结构产生难以逆转的永久变形。即使在拆除前设置了临时支撑设施，也难以根除这种不利影响。与此同时，拆除的杆件越为关键、承载力越大，拆除后整塔结构永久变形的幅值也越大，甚至引起结构失效的危险。这就意味着现有的替换杆件技术，难以在铁塔的关键构件上得到应用；(2)原塔杆件拆除后，由于结构局部传力体系的改变，整塔将难以避免的产生内力重分布。内力重分布的出现，有很大的可能使原设计受力较小的杆件承受较大的荷载，从而产生新的薄弱杆件。且由于此薄弱杆件在检测工作完成之后产生，其危险性难以被重新发现，因此对原结构将产生无法预料的危害，隐患十分巨大。当拆除杆件为整体结构的关键、敏感构件时，这一隐患将更为严重；(3)原塔杆件拆除后，由于整塔刚度的改变，铁塔上连接原杆件两端的节点，其空间位置将发生变化。这就意味着，按原杆件的几何尺寸加工出的新杆件，将难以安装在原有铁塔上。即使节点微小的变形，也将给新杆件的安装带来很大的困难。就算是强行安装上去，也会使铁塔再次产生内力重分布。其后果无法预料。

增大截面法。《电网技术》于2009年7月刊登的文章《输电铁塔主材加固方法试验》一文，提出在单角钢背后添加相同规格角钢，组成“十”字双肢格构截面的方法，对输电铁塔角钢主材构件进行补强。上述补强方法可对主材角钢产生如下补强效果：增大主材角钢截面面积，提升构件抗压强度；增大主材角钢截面抗弯刚度，提升构件整体稳定承载力。然而，由于“十”字双肢格构角钢存在整体性差、组合截面抗扭刚度弱等缺点，现有角钢补强技术存在如下不足：(1)有研究表明，“十”字双肢格构角钢构件，其实际承载力低于按现行《钢结构设计规范》算得的计算值。现有补强技术获得补强后构件承载力较差；(2)不同于新加工构件，现有补强方法，需在已承受较大荷载的原主材角钢上打孔，这将使原角钢存在的不利情况进一步加重，从而降低补强效果；(3)增补角钢后形成的组合截面，仅有原角钢与铁塔结构产生连接，而其截面扩展方向则背离荷载作用点。这意味着荷载作用线远远偏离组合截面的形心线，使得组合构件成为偏心率较大的偏压构件，不利于其承载力的发挥；(4)新增补强角钢占用较大空间，使得施工安装十分不便。在节点较复杂，杆件较密集的结构部位，难以实施。这使得改补强技术的使用范围受到限制。值得说明的是，《工业建筑》于2010年刊登的《输电铁塔加固补强承载力研究》一文，对上述补强技术进行了进一步验证，并将其使用范围扩展到除主材以外的其它角钢构件，但仍受到上述第(3)条的限值。

本设计采用的直焊钢板补强技术，是指在截面因腐蚀或受损而受到削弱、截面变形等存在缺陷的角钢杆件内侧，直接焊接加固钢板(如图1所示)，从而增大构件受荷面积、提升截面惯性矩，从而增强被补强角钢构件承载力的新型补强技术。焊接加固钢板后形成的组合构件，其新截面的抗扭刚度和抗弯刚度都得到了极大的改善，具有整体性好、稳定性强、不削弱原角钢截面的优点，且克服了“替换杆件法”因拆除杆件而产生的各种困难与危险，能有效弥补现行“十”字双肢角钢补强技术的不足，具有良好的力学性能与应用前景。同时，该方法传力明确、施工简单方便，由于采用焊接连接，会克服其他方法如粘钢、粘碳纤维等在高温时粘胶分离等缺陷，也不存在采用其他方法时频发的老化问题。并且，加固材料来源广泛，价格较低，具有明显的经济效益。输电铁塔角钢直焊钢板补强技术，具有如下技术创新点与优势：(1)补强施工不削弱构件原截面，使得补强施工过程安全可靠；(2)补强后的组合构件，其截面扩展方向为角钢形心方向，使得荷载偏心率得到较好的控制，克服了现有补强技术使得荷载偏心率过大的问题；(3)直焊补强技术，可大幅提高原塔角钢构件的承载力。对于拉杆，其提升幅度与用钢量增幅一致；对于压杆，其提升幅度均不低于用钢量增幅，且长细比越大，对构件受压承载力的提升幅度越大；(4)直焊补强技术对原塔角钢构件承载力的提升幅度，均不小于其用钢量的增幅，并且加固材料来源广泛，价格较低，其经济效益显著。尤其对于输电铁塔的受压角钢杆，其经济效益十分明显；(5)直焊补强技术的补强钢板，其焊接位置位于角钢内侧，不受空间位置的制约，较好的解决了现有补强技术占用空间大、难以广泛应用的不足，使得该新型直焊补强技术的应用范围大大扩展；(6)直焊补强技术采用焊接连接，可靠性好，会克服其他方法如粘钢、粘碳纤维等在高温时粘胶分离等缺陷，也不存在采用其他方法时频发的老化问题。

综上所述，对输电铁塔存在问题的角钢构件，采用直焊钢板补强技术进行加固，可有效、可靠、经济的提升被补强角钢构件的承载力，且应用范围广泛，具有良好的经济效益和社会效益。

实施例：

参见图1，一种输电铁塔角钢构件补强结构，包括角钢构件1以及与其相连接的加固件2，所述角钢构件1包括垂直连接的一号边11与二号边12，所述加固件2位于一号边11与二号边12之间，加固件2的一端与一号边11相连接，加固件2的另一端与二号边12相连接；所述加固件2为钢板；所述加固件2的一端与一号边11之间设置有一号焊缝3，加固件2的一端通过一号焊缝3与一号边11相焊接，加固件2的另一端与二号边12之间设置有二号焊缝4，加固件2的另一端通过二号焊缝4与二号边12相焊接；所述加固件2与一号边11之间的夹角为45度，加固件2与二号边12之间的夹角为45度；所述加固件2的厚度与一号边11的厚度、二号边12的厚度均相等；所述加固件2与一号边11的接触点到一号边11的非连接端的距离为2t，所述加固件2与二号边12的接触点到二号边12的非连接端的距离为2t，所述一号边11的厚度、二号边12的厚度、加固件2的厚度都为t；所述角钢构件1的形心、加固件2的形心、角钢构件补强结构的形心处于同一直线上。

按上述方案，输电铁塔角钢构件直焊钢板后，其截面面积及回转半径等参数会有显著改善，进而提高其承载力，保障构件安全。现以工程常用截面型号为例，进行计算说明：

原角钢截面规格为L50×4.0，如图2所示，补强钢板截面规格为53.7×4.0，如图3所示，上述两构件各项截面参数见表一所示。

表一 角钢截面与补强钢板截面参数表

通过表一可以看出，补强钢板的单位重量要小于原塔角钢。同时，由于补强钢板与原塔角钢采用焊缝连接，可省去节点板的重量及高强螺栓的消耗。因此，采用直焊钢板补强技术进行加固，所耗材料要小于现有“十”字双肢角钢加固法，具有更好的经济性。

通过表一还可以看出，钢板的截面回转半径、惯性矩均远大于角钢构件，通过直焊组合，可使组合后的构件充分发挥其组合截面优势。图4及图5分别为直焊补强实施前后的构件截面，C₁、C₂、C，分别代表原塔角钢、钢板、直焊后组合构件的形心。组合后构件截面特性，按下式进行计算。式中，下角标“1”、“2”，分别代表原塔角钢与直焊钢板，无下角标的各符号，代表组合构件。

(1)面积A：

A＝A₁+A₂ (1)

(2)对x，y轴面积矩：

同理可知：

式中：Z₀为角钢截面重心距，本例中Z₀＝13.8mm；b为角钢肢宽，本例中b＝50mm；t为钢板厚度，本例中t＝4mm。

(3)形心的x，y坐标：

(4)通过形心的x、y方向截面惯性矩：

同理可知：

I_y＝I_y1+(y_C1-y_C)²A₁+I_y2+(y_C2-y_C)²A₂ (4-2)

由转角公式，通过形心的x₀、y₀方向截面惯性矩：

(5)截面惯性积：

I_xy＝∫∫_Axydxdy (5)

(6)截面弱主轴惯性矩：

(7)截面绕弱主轴回转半径：

由上述计算式，可获得直焊钢板补强后组合角钢的各项截面特性，将计算结构列于表二。由表中可知，直焊钢板能极大提高构件的各项截面参数。

表二 原角钢截面与补强后组合截面参数对比表

通过表二及图5可以看出：

(1)直焊补强后的组合构件，其截面形心距原角钢构件截面形心很近。角钢补强后，组合截面的荷载偏心率变化十分微小，甚至会有所降低；

(2)直焊补强后的组合构件，其截面回转半径的提升幅度为14.1％，将改善被补强构件的稳定性；

(3)直焊补强后的组合构件，其截面惯性矩提升幅度高达106.8％，达原角钢构件惯性矩的2.1倍，使得补强后构件刚度得到明显提升，进一步提高了结构的适用性与安全性。

直焊钢板后形成的组合构件，截面面积的提升，将显著提高构件轴拉、轴压强度；截面回转半径的提升，将明显降低构件长细比，从而显著提高构件稳定承载力。

输电铁塔中轴向受压构件承载力N_u，可按式(8)进行计算：

其中，φ为轴压稳定系数，根据我国现行《钢结构设计规范》进行确定。

表三列出了各长度下，原塔角钢和直焊补强后组合构件的承载力对比。其中，钢材材质等级以输电铁塔常用钢材Q345为例。

表三 原角钢构件与补强后组合构件承载力对比

通过表三可以看出，直焊补强技术，对原塔角钢构件承载力的提升程度，是随着构件长细比的变化而发生改变的。

为直观表现这一改变，现以待补强角钢长细比为横轴、稳定系数及承载力提升幅度为纵轴，绘制承载力提升曲线，见图6及图7所示。通过图6及图7可以看出，直焊钢板补强技术对原塔角钢构件的补强效果，具有如下特点：

(1)直焊补强技术，能提高被补强角钢构件的稳定系数，且长细比越长，提升幅度越明显；

(2)直焊补强技术，能显著提高被补强角钢构件的抗拉承载力，且提升幅度，等于补强后构件截面面积的增量，即用钢量的增量；

(3)直焊补强技术，能显著提高被补强角钢构件的抗压能力，且长细比越长，提升幅度越明显；

(4)直焊补强技术对被补强角钢构件抗压能力提升幅度的下限，等于抗拉承载力的提升幅度(用钢量增量)；

(5)直焊补强技术用于角钢受压构件，能用少量钢材大幅提升角钢压杆的受压承载力，经济效果显著。且长细比越大，其经济效果越为明显，当构件长细比接近150的规范限值时，其承载力提升幅度与用钢量增幅的比值为1.7，经济效益显著。