研究角钢的合理受力方式
机电学院
指导老师：秦飞
林子昂11010106
赵楠11010120
梁品11010125
摘要：本文通过材料力学理论计算和电测试验两种方法研究了开口薄壁截面杆件 No.5 号等边角钢斜弯曲时正应力的分布情况。分析和比较了等边角钢在平面弯曲与斜弯曲之间的差异，说明了角钢在实际应用中的应力状况及合理性。分析了工程中常用的两角钢组合应用情况，经应力比较，认为这是一种最较安全的形式。
关键词：等边角钢；斜弯曲；正应力分布
一、引言
角钢是工程上应用最广泛的型钢之一。像桥梁的支撑、大型厂房顶棚等钢架结构中，有很大一部分采用角钢，如图1 所示。而角钢属于开口薄壁截面杆件，当载荷未作用在弯心及主轴面内时，会引起斜弯曲甚至扭转，这会引起较大的应力，从受力分析角度看是不利的。另外，薄壁角钢在工程应用中受斜弯曲时，存在最优受力方向。材料力学教材中主要介绍了规则截面梁、杆件的拉、压、弯、扭、组合变形情况，包括圆形、矩形、工字形截面等等，尽管介绍了薄壁截面杆的扭转及弯曲问题，但是很少对开口薄壁角钢杆件在不同受力情况的应力状态进行详细分析，此部分内容及习题训练均较少。为了更深入理解材料力学的理论知识，在工程中更好地利用角钢结构，为实际工程角钢结构的设计提供理论依据，有必要对角钢在斜弯曲时正应力的分布情况进行研究。因此我们选择了“角钢斜弯曲时应力分析”这样一个全新的实验。通过在固定端旋转角钢的位置实现了不同角度的加载方式，进行了平面弯曲及斜弯曲实验。经过多组实验数据，分析了角平面弯曲及斜弯曲的特性，并且讨论了角钢的最优受力方式，发现两角钢对接时，其受力更为合理，使我们对工程上此种方法的应用有了更深入的认识。
二、实验原理及方法
三、实验方案设计
1、实验装置及仪器
(1)、NO.6.3号角钢，角钢边厚5mm，材料为Q235 钢；
(2)、电子万能试验机；
(3)、静态应变测试仪；
(4)、计算机。实验加载装置如图所示。
2.应变片布置方案
通过上述公式，我们可以计算出角钢上各点正应力的理论值。而角钢的弯曲可以看成单向应力状态，因此可以根据应变来计算正应力。即σ=E·ε。
贴片方案：共贴六个应变片如图这样贴片，可以比较准确的测出角钢上正应力分布情况。
四、试验结果
在万能试验机上旋转角钢试件，得到载荷 P 与主轴Z 的不同夹角。试验分种情况进行：载荷P与z轴成0°，载荷P与z轴成45°，载荷P与z轴成135°
试验测试数据见下表
1. 载荷P与z轴成0°时：
2. 载荷P与z轴成45°：
3. 载荷P与z轴成135°：
五、对结果的讨论分析
1、主轴位置确定原则
由于理论公式中的 y、z 值为形心主轴到所计算点的垂直距离，故要考虑形心主轴在角钢外表面的位置。
2、对各种加载情况理论值计算及与实测值比较
载荷P与z轴成0°：
此时载荷P作用在主轴方向，为平面弯曲，其理论值计算如下式：其理论值与实测比较见下表
载荷P与z轴成45°：
此时载荷P 与主轴成45o，为斜弯曲，各点应力为两平面弯曲组合。理论值计算同上，理论值与实验值比较见表
载荷P与z轴成135°：
此时载荷P 与主轴成135°，为斜弯曲，各点应力为两平面弯曲组合。
理论值计算同上，理论值与实验值比较见下表
六、误差分析
通过实验数据与理论值之间的比较可以看出，本实验仍然是有一定误差的，总结出如下原因：
1、贴片位置不准；
2、贴片角度的不准；
3、角钢形状的误差；
且由于加载点与贴片处太近只有247mm，不符合材料力学中梁的长与高之比要大于 4 的要求，因此会产生一定的误差。
角钢形状的误差：在进行理论值的计算时，角钢的形状、边长、ly 、lz 等均为书后的表中的数据。但是实际上，角钢的边长、形状不可能和树种记录的一模一样，因此书中的表中的数据可能与实际情况不符。这样就会引起理论值计算的偏差。
七、实验结论
由上面的数据我们可以看出，如果是一个角钢单独受力，则角钢的承载面（即3、4、5 片处）的应力较小。由于单个角钢的最佳应用形式是载荷与Z 轴垂直，而此时不好加载，且容易产生扭转。由于角钢是薄壁杆件，抗扭性能极差。因此在工程上并不经常运用单个角钢，而是将两个角钢拼接起来使用。
由图 12 可以看出，当两根角钢并在一起时，lyo 就等于是两倍的ly，而lzo 则等于两倍的lz 再加上一个移轴项。所以两个角钢拼接起来时，载荷沿着y 轴方向所产生的应力比载荷沿着z轴方向所产生的应力要小。因此用这种方式使用角钢的时候，最佳使用方案是将载荷沿着z 轴方向施加。
但是由于工程应用上的问题，拼接后的角钢受的载荷大多是沿z 轴方向的。这样就造成了一定的应用上的不合理。
在实际工程中，可以考虑将四根角钢组合应用。拼接方式如下图 13 所示。这样拼接后的图形ly 与lz 相等。但是，由于图13（b）截面惯性矩大于截面（a)，从应力角度看，截面（b）的形式更优。
八、结束语
通过这项研究，我们了解了角钢的斜弯曲的一些特性，同时也讨论了角钢在工程实际应用上的一些利与弊，讨论了角钢的最佳应用形式。
1、角钢在平面弯曲时，当载荷P 的施加方向是沿着y轴方向（即与z轴垂直的时候），产生的正应力是各种情况中的最小值；当载荷P 的施加方向是沿着z 轴方向的时候，产生的正应力是各种情况中最大的。
2、角钢斜弯曲时，可以将载荷分解成沿y 轴方向的分力和沿z 轴方向的分力。这样，角钢的斜弯曲可以看成两个平面弯曲的组合，其正应力就等于两个平面弯曲所产生的正应力之和。
3、由于单一角钢产生的正应力比较大，且容易发生扭转变形，
因此在工程上经常将两个角钢拼接在一起使用。如果将两个角钢拼接在一起，其最佳使用方法是沿着y轴方向施加载荷。但是由于实际应用的原因，工程上常将载荷沿z 轴施加。但是即使是这样，也比只使用一跟角钢要好，因为将两跟角钢拼接起来以后，两个角钢中间多了一个对称轴，这样角钢再弯曲的时候就是平面弯曲而不是斜弯曲了。即使由于种种原因其中一跟角钢失效，我们也可以通过上面的数据看出另一跟角钢的受力面（即3、4、5 片处）所产生的正应力也较小。因此，工程上这样应用角钢合理的。
4、如果再深入探讨角钢的最佳使用方案，我们可以考虑将4 跟角钢拼起来用。这样，它的ly 与lz 相等，是最佳使用方式。
参考文献
1 秦飞.材料力学.科学出版社.201
2 年
2 粟一凡.材料力学（上册）.高等教育出版社.1960 年2 月第一版
3 孙训方方孝淑关来泰.材料力学（上册）.高等教育出版社.1979 年
4 月第一版
4 刘鸿文.高等材料力学.高等教育出版社.198
5 年10 月第一版
浅析220kV高压输电线路窄基钢管塔结构优化设计 摘要：窄基钢管塔是一种走廊紧凑、占地面积小新型铁塔，是钢管塔技术在城 镇规划区以及城镇郊区地区线路工程的全新应用，与常规铁塔相比，外形美观、 结构简单，与城镇周边环境更加和谐，具有良好经济和社会效益，本文通过截面 选择、杆件布置、经济性对比等方面分析、为窄基塔规划、设计提供有重要参考。 关键词：高压输电线路；窄基塔；优化设计 引言 随着我国经济建设发展，城镇规划区的土地日益紧张，高压输电线路多经过 成镇绿化带、公路等路径拥挤地段。对220kV 高压输电线路工程，由于荷载较大，采用钢管杆虽可满足走廊占地要求，但塔重增加较多，经济性较差。与角钢塔相比，窄基钢管塔结构简单、外形美观，与城市环境更加协调。与钢管杆相比，窄 基塔经济性较好（节约钢材 25%以上），具有良好的经济和社会效益。 一、主材构件断面的优化 （一）构件风压对比 经过分析计算，窄基塔塔身风荷载的比重约整个内力的为 35~45%，而线条风 荷载和塔身自重引起的内力约占整个内力的45~50%和10~12%左右。通过合理选 材降低塔身风载对窄基铁塔设计有重大意义。 可以看出，当角钢（或组合角钢）与钢管的截面面积基本相同时，由于体型 系数不一样，钢管承受风压投影面积AS比角钢略大，钢管的AS?μs值是角钢的0.6～0.8倍，即钢管构件所受风载为角钢的0.6～0.8倍。窄基塔主材采用钢管， 钢管构件所受的风荷载是角钢构件的0.8倍左右，钢管构件所受的总应力比角钢 减少 9～10%，同时有效减小钢管塔的基础力，意义重大。 （二）构件稳定性比较 角钢构件有平行轴和最小轴的区别，两者回转半径i差别较大。钢管构件在 任意方向的回转半径i是相同的。通过表2 的比较，可以看出截面面积基本相同 的条件时，钢管的回转半径是单根角钢的1.3倍。同一计算长度L时，受压构件 稳定系数取决于构件长细比λ=L/i。角钢的稳定系数远小于钢管。 经计算，材料为Q345时，多数角钢构件mN=1.0，部分mN<1.0；材料为 Q420 时，mN<1.0的角钢构件比材料为Q345时更多。综合以上各个系数，截面 面积、材料强度相同时，钢管构件的稳定系数大于角钢构件，且强度不需要折减，因此通过以上公式计算，钢管构件的轴压承载力大于角钢构件。 （三）窄基钢管塔与窄基角钢塔的经济性对比 目前我国高压输电线路铁塔普遍采用的钢材为Q235及Q345热轧角钢，山东 省的220～500kV线路工程中，铁塔主材已经普遍使用Q420高强钢。铁塔主材规 格主要由轴心受力的强度及稳定控制来确定。对于强度控制的轴心受力构件， Q420钢的强度比Q345提高20％以上。在角钢塔中采用Q420高强度钢材将有效 节约钢材。 用两种材料选材的塔重计算结果：Q420角钢塔的重量比Q345钢管塔重17%。考虑施工图的重量增大因素：钢管塔采用带颈锻造法兰，角钢塔双拼节点板等， 角钢塔重量比钢管塔重增加约13%。并且钢管塔由于基础作用力降低而使得基础 工程量的下降。综合以上因素采用钢管塔较角钢塔本体投资减少。 二、杆塔结构布置优化 制约塔身斜材的基本条件是斜材计算长度的选择以及对外荷载抵抗力矩。其
输电线路铁塔四拼角钢塔脚的加工控制研究 近年来，随着科技技术的快速发，输电线路铁塔设计也趋于多样化。其中四拼角作为输电线路铁塔中的一种，结构也存在较大差异。因此文章重点就输电线路铁塔四拼角钢塔脚的加工控制展开分析。 标签：输电线路铁塔;四拼角钢塔脚;加工控制 随着国民经济的快速发展、科学技术的不断提高和环保意识的逐步增强，高压输电作为生命线工程在经济建设和人民生活中发挥着举足轻重的作用[1]。高压输电塔是高负荷电能输送的载体，是生命线工程的重要组成。角钢塔是我国输电铁塔中主要采用的形式之一。随着我国的能源和电力需求持续增长，输电线路的电压等级、输送容量不断升级，传统输电铁塔采用单角钢作为主材的形式，已经不能满足现阶段安全设计的要求。为了满足杆塔结构的强度要求，主材不得不采用双拼或者四拼组合角钢构件。为了将不同角钢及其组合进行有效连接必须采用一种特殊构造的节点。 1输电线路铁塔角钢材料应用分析 角钢广泛应用于角钢塔、钢管塔，目前以Q345B、Q420B角钢应用为主，Q460级角钢在少量工程试点应用。研究表明，以∠160mm×16mm×1500mm角钢为例，与Q345角钢相比，同一规格的Q420角钢构件承载力提高18%，Q460提高26%。已有工程实践证明，在特高压交流、直流工程中使用Q420角钢塔，可以减小材料自身质量5%～10%，同时，高强钢的使用可以简化杆塔结构，减小单根构件的自身质量，相应减少运输、安装等费用，从而整体上可节省造价2%～6%。规格上，我国输电铁塔角钢长期使用4#～20#等边角热轧角钢。2011年，22#，25#的大规格角钢首次在±800kV锦屏—苏南特高压直流工程应用，目前，特高压铁塔应用的最大角钢规格为∠300mm×35mm×35mm。到2017年6月，大规格角钢在输电铁塔用量约35万t。试验表明，22#及以上大规格角钢 能替代绝大多数的双拼组合角钢，可有效降低铁塔耗钢指标。 2输电线路铁塔四拼角钢塔脚的发展现状 对于输电线路铁塔钢塔脚加工而言，最为困难的就是焊接变形控制问题，在实际应用的过程中，输电线路铁塔钢塔脚加工便捷、运输方便、安装快速，是目前输电线路工程中的重点。但是在焊接过程中经常会出现角变形的情况，不仅会对外观造成影响，还会导致安全质量降低，进而威胁到整体结构承载能力和运行稳定性。因此一般会采用刚性固定、反变形等工艺降低角变形的产生，从实际效果上看并不理想，严重的情况下，还会引发层间撕裂缺陷问题，造成重大质量事故。由此可知，输电线路铁塔四拼角钢塔脚的加工控制方法措施需要得到进一步创新发展。
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表4-23不锈钢热轧等边角钢的尺寸规格 标准截面尺寸/mm理论质量/(kg/m)参考数值 A×B t r1r2截面 面积 /cm2 1Cr18 Ni9 OCr19Ni9 00Cr19Ni11 OCr18Ni11Ti 0Cr17Ni12M02 00Cr17Ni14M02 Ocr18Ni1Nb 1Cr17 重心位置 /cm 截面惯性矩/cm4截面惯性半径/cm截面模数 /cm3 C X Cy Ix Iy最大Iu最小Iv ix iy最大iu最小iv Zx Zy 20×20342 1.1270.894O.899O.8680.60.6O.390.39O.61O.16O.590.590.74O.38O.280.28 25×25342 1.427 1.13 1.14 1.1O.72O.72O.80O.80 1.26O.33O.75O.750.94O.48O.45O.45 25×25443 1.836 1.46 1.47 1.41O.790.79O.98O.98 1.55O.42O.73O.730.920.48O.57O.57 30×30342 1.727 1.37 1.38 1.33O.84O.84 1.42 1.42 2.26O.59O.910.91 1.14O.58O.660.66 30×30443 2.236 1.77 1.78 1.72O.88O.88 1.77 1.77 2.81O.74O.89O.89 1.12O.57O.84O.84 精品
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表4-26不锈钢热轧等边角钢的力学性能 如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！ 精品
信阳钢铁有限责任公司 彭庄至信钢钢北变-冶金变110千伏线路工程 角钢塔 专用技术规范 安钢集团信阳钢铁有限责任公司 2011年9月
目次 货物需求一览表 (3) 供货范围一览表 (3) 1工程概况 (4) 2铁塔结构特征 (4) 3损耗、备件与合同结算重量 (4) 4原材料要求 (4) 附录A货物需求明细表 (5) 附录B 杆塔一览图
货物需求一览表 包号序 号 项目名称 电压 等级 货物名称物资名称计量单位总数量 Q420所 占比例 Q460所 占比例 1 1 彭庄 至信钢钢 北变-冶金 变110千伏 线路工程110 角钢塔铁塔,AC110kV,单回路,角 钢,Q345,直线塔 吨119.880 0 1 2 110 角钢塔铁塔,AC110kV,单回路,角 钢,Q345,耐张塔 吨70.6040 0 2 3 110 角钢塔铁塔,AC110kV,双回路,角 钢,Q345,耐张塔 吨19.121 0 0 2 4 1 工程概况 本招标文件适用于彭庄至信钢钢北变-冶金变110千伏线路工程所需输电铁塔的制造、试验和检验、包装、运输等。 工程概况表 工程项目名称彭庄至信钢钢北变-冶金变110千伏线路工程 工程规模线路全长11.00+2*1.68 km 塔材类型及基数钢管杆0 基；角钢塔43 基；角钢钢管组合塔0 基。 备注 2 铁塔结构特征 本工程采用角钢塔。 3 损耗、备件与重量 螺栓供货需按图纸中螺栓总数增加3％作为安装损耗。考虑螺栓无扣长的加工误差影响，除图中统计的垫圈数量外，需另按施工图中螺栓总数的5％增加备用垫圈，以供安装铁塔紧固螺栓（垫在螺帽一侧）之用。 铁塔招标重量为初步设计估算重量（或施工图重量），该重量中未考虑螺栓安装损耗、备用垫圈和采用防卸螺栓引起的铁塔采购重量增加。 4 原材料要求 4.1 输电线路铁塔用角钢、钢板、直缝焊管、无缝钢管、法兰等主要原材料应满足相应标准、规范的要求，并有质量证明书。 4.2 对输电线路铁塔用直缝焊管、带颈法兰等关键原材料实施延伸监造，必要时配合对高强角钢、∠20以上大规格角钢实施延伸监造。同时中标方在随后的加工中应按规定对原材料进行入厂复验。 4.3 铁塔材质：除注明为Q420、Q460钢材外，其余未注明者均为Q235B、Q345B钢材（铁塔材质以
角钢、槽钢、工字钢、圆钢等常用钢材常识 [图片] ◆角钢◆ 角钢俗称角铁、是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边角钢和不等边角钢之分。等边角钢的两个边宽相等。其规格以边宽×边宽×边厚的毫米数表示。如“∠30×30×3”，即表示边宽为30毫米、边厚为3毫米的等边角钢。也可用型号表示，型号是边宽的厘米数，如∠3#。型号不表示同一型号中不同边厚的尺寸，因而在合同等单据上将角钢的边宽、边厚尺寸填写齐全，避免单独用型号表示。热轧等边角钢的规格为2#-20#。 角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件，也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构，如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库货架等。
圆钢是指截面为圆形的实心长条钢材。其规格以直径的毫米数表示，如“ 50”即表示直径为 50毫米的圆钢。 圆钢分为热轧、锻制和冷拉三种。热轧圆钢的规格为5.5-250毫米。其中：5.5-25毫米的小圆钢大多以直条成捆供应，常用作钢筋、螺栓及各种机械零件；大于25毫米的圆钢，主要用于制造机械零件或作无缝钢管坯。
钢筋混凝土用钢筋是指钢筋混凝土配筋用的直条或盘条状钢材，其外形分为光圆钢筋和变形钢筋两种，交货状态为直条和盘圆两种。 光圆钢筋实际上就是普通低碳钢的小圆钢和盘圆。变形钢筋是表面带肋的钢筋，通常带有2道纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。横肋的外形为螺旋形、人字形、月牙形3种。用公称直径的毫米数表示。变形钢筋的公称直径相当于横截面相等的光圆钢筋的公称直径。钢筋的公称直径为8-50毫米，推荐采用的直径为8、12、16、20、25、32、40毫米。 钢筋在混凝土中主要承受拉应力。变形钢筋由于肋的作用，和混凝土有较大的粘结能力，因而能更好地承受外力的作用。钢筋广泛用于各种建筑结构、特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构。 ◆焊接钢管◆ 焊接钢管也称焊管，是用钢板或钢带经过卷曲成型后焊接制成的钢管。焊接钢管生产工艺简单，生产效率高，品种规格多，设备资少，但一般强度低于无缝钢管。低压流体输送用焊接钢管（GB/T3092-1993）也称一般焊管，俗称黑管。是用于输送水、煤气、空气、油和取暖蒸汽等一
角钢检验标准 ＧＢ/Ｔ２１０１—８９（型钢验收、包装、标志及质量证明书的一般规定）； ＧＢ９７８７—８８/ＧＢ９７８８—８８（热轧等边/不等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差）；ＪＩＳＧ３１９２—９４（热轧型钢的形状、尺寸、重量及其容许差）；ＤＩＮ１７１００—８０（普通结构钢质量标准）； ГОСТ５３５—８８（普通碳素型钢技术条件）。 根据上述标准规定，角钢应成捆交货、其捆扎道次、同捆长度等应符合规定。 角钢一般属裸装交货，运输和储存均需注意防潮。 1. 角钢的表面质量 在标准中有规定，一般要求不得存在使用上有害的缺陷，如分层、结疤、裂缝等。 2. 角钢几何形状偏差的允许范围 在标准中也有规定，一般包括弯曲度、边宽、边厚、顶角、理论重量等项，并规定角钢不得有显著的扭转。 3.角钢的化学成份及检验方法 （１）成分指标：角钢的化学成分属一般结构用轧制钢材系列，主要检验指标为C、Ｍn、Ｐ、Ｓ四项。根据牌号不同，含量各有差别，大致范围为C＜０.２２%、Ｍn：０.３０—０.６５%、Ｐ＜０.０６０%、Ｓ＜０.０６０%。 （２）检验方法：检测上述化学成分时，常用的标准检验方法有ＧＢ２２３、ＪＩＳＧ１２１１—１２１５、ＢＳ１８３７、ＢＳ手册１９、ГОСТ２２５
３６等。 3. 机械性能检验 （１）检验方法： ①拉伸试验方法。常用的标准检验方法有ＧＢ/Ｔ２２８-８７、ＪＩＳＺ２２０１、ＪＩＳＺ２２４１、ＡＳＴＭＡ３７０、ГОСТ１４９７、ＢＳ１８、ＤＩＮ５０１４５等；② 弯曲试验方法。常用的标准检验方法有ＧＢ/Ｔ２３２-８８、ＪＩＳＺ２２０４、ＪＩＳＺ２２４８、ＡＳＴＭE２９０、ГОСТ１４０１９、ＤＩＮ５０１１１等。 （２）性能指标：考核角钢性能的检验项目主要为拉伸试验和弯曲试验。指标包括屈服点、抗拉强度、延伸率及弯曲合格等项。 角钢俗称角铁、是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边角钢和不等边角钢之分。等边角钢的 4.两个边宽相等。其规格以边宽×边宽×边厚的毫米数表示。如 “∠30×30×3”，即表示边宽为 30毫米、边厚为3毫米的等边角钢。也可用型号表示，型号是边宽的厘米数，如∠3#。型号不表示同一型号中不同边厚的尺寸，因而在合同等单据上将角钢的边宽、边厚尺寸填写齐全，避免单独用型号表示。热轧等边角钢的规格为2#-20#。 5.角钢的规格 角钢的规格用边长和边厚的尺寸表示。目前国产角钢规格为２—２０号，
热轧等边角钢（GB／ T9787--1988 ） (1)尺寸规格见表 1。 (2)允许偏差见表 2。 表 1热轧等边角钢的尺寸规格 尺寸／ mm截面理论外表参考数值 角钢X-X Xo-Xo Yo-Yo X1-Xl 面积质量面积 号数Wx／ixo ／Wxo/1yo/Wyo／Ix1/zo／cm b d r/mm／ (kg ／m)／ (m2／ m)Ix/cm4ix ／cm ixo/cm iyo ／ cm cm3Cm cm3cm4cm3cm4 2203 1.1320.8890.078O.400.590.290.630.750.450.17O.39O.20O.81O.60 4 1.459 1.1450.077O.50O.58O.36O.780.730.55O.220.380.24 1.090.64 3.5 3 1.432 1.1240.0980.820.760.46 1.29O.950.73O.340.49O.33 1.570.73 2.525 4 1.859 1.459O.097 1.03O.74O.59 1.62O.93O.920.43O.480.40 2.11O.76 3.0303 1.749 1.373O.117 1.46O.9l O.68 2.3l 1.15 1.09O.610.59O.51 2.7l0.85 4 2.276 1.7860.117 1.840.900.87 2.92 1.13 1.370.77O.58O.62 3.63O.89 3 4. 5 2.109 1.656O.14l 2.58 1.1l O.99 4.09 1.39 1.6l 1.070.7l O.7 6 4.68 1.00 3.6364 2.756 2.1630.141 3.29 1.09 1.28 5.22 1.38 2.05 1.370.70O.93 6.25 1.04 5 3.382 2.654O.141 3.95 1.08 1.5 6 6.24 1.36 2.45 1.65O.70 1.097.84 1.07 3 2.359 3.086 1.852O.157 3.59 1.23 1.23 5.69 1.55 2.01 1.49O.79O.96 6.4l 1.09 440 4 2.4220.157 4.60 1.22 1.607.29 1.54 2.58 1.910.79 1.198.56 1.13 5 3.791 5 2.976O.15 6 5.53 1.21 1.968.76 1.52 3.10 2.30O.78 1.3910.74 1.17 4.5453 5 2.659 2.0880.177 5.17 1.40 1.588.20 1.76 2.58 2.140.89 1.249.12 1.22 4 3.486 2.736O.177 6.65 1.38 2.0510.56 1.74 3.32 2.750.89 1.5412.18 1.26
输电线路中钢管塔在结构力学性能上的优越性 发表时间：2019-03-29T15:51:53.143Z 来源：《电力设备》2018年第29期作者：赵颖 [导读] 摘要：随着我国超高压、特高压输电线路的发展建设，输电线路的支撑结构和变电构架的承载越来越大，铁塔及变电构架的大型化是一个不可避免的发展趋势，而钢管塔架具有承受载荷大、整体稳定性好、能减小铁塔根开从而减小占地面积等优点，开展钢管塔的力学分析计算和构造的研究，对于电网建设有很强的技术进步意义和显著的经济效益。 （合肥明志电力工程有限公司安徽合肥 230071） 摘要：随着我国超高压、特高压输电线路的发展建设，输电线路的支撑结构和变电构架的承载越来越大，铁塔及变电构架的大型化是一个不可避免的发展趋势，而钢管塔架具有承受载荷大、整体稳定性好、能减小铁塔根开从而减小占地面积等优点，开展钢管塔的力学分析计算和构造的研究，对于电网建设有很强的技术进步意义和显著的经济效益。 关键词：输电线路；钢管塔在结构力学性能；优越性； 近年来，为了减少输电线路的能耗和提高电网的输送容量，特高压输电线路的应用越来越广泛。与角钢输电塔相比，钢管输电塔的力学性能和抗风性能更为卓越，被广泛应用于特高压和大跨越输电线路中。在钢管塔节点连接设计中，钢管，板连接节点较为常见，其力学性能尤其是结构强度的稳定性直接影响到此类输电塔的安全。 一、发展情况 大跨越塔型按其结构类型分类主要有钢筋混凝土结构、组合角钢格构式结构、焊接钢板格构式结构和钢管结构等。他们都有其优势及特色，在工程实践和设计上均有经验。作为第一座钢筋混凝土结构的输电路线高塔的皖中裕溪口钢筋混凝土烟囱塔，就是在1957 年设计以及实践的成功范例，而且在1990 年设计出当时世界上最高的南京大胜关跨越塔也是采用钢筋混凝土结构并成功运行。组合角钢格构式结构输电线路塔典型代表，有徐上线镇江大跨越塔和珠江大跨越塔。焊接钢板格构式结构输电线路塔的典型代表即有华东院设计的江阴大跨越塔，为解决当时高塔荷载内力问题，采用了厚度65mm 的钢板，成为选材上一个新思路。钢管结构在1974 年第一次将钢管结构用于大型输电塔并完成设计实践。因此，现在越来越多的大跨越输电线路铁塔采用钢管结构，不仅在设计领域中占据着越来越重要的位置，而且为我国设计院设计输电线路大跨越工程的首选模式。输电线路大跨越钢管塔，结合了钢管结构并且使用了高强度钢材。钢管结构模式不仅应用于输电线路大跨越塔，而且国内外的电视塔、通信塔、导航塔等也应用到了钢管结构模式。 二、输电线路中钢管塔在结构力学性能上的优越性 1.杆塔可靠度。结构在规定的时间内、规定的条件下,完成预定功能的能力, 称为结构的可靠性。建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三项要求。结构可靠度是结构可靠性的概率度量,其定义为：结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率,其“规定的时间”是指设计基准期50年,这个基准期只是在计算可靠度时,考虑各项基本变量的统计参数与时间关系所用的基准时间,并非指建筑结构的寿命；规定的条件则指正常设计、正常施工及正常使用的条件,不考虑人为过失的影响；“预定的功能”是指能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力(即安全性), 在正常使用时具有良好的工作性能(即适用性), 在正常维护下具有足够的耐久性能(即耐久性)。由理论分析可知, 对于按一定规范设计或加固的结构, 结构的可靠度与结构的永久荷载效应和可变荷载效应的具体值无关,而只与其比值有关。根据目前国际上通用的可靠度算法,在杆塔构件可靠度与可变荷载和永久荷载的具体值无关,而只与其比值有关的前提下,用验算点法计算了涯门大跨越塔杆塔结构构件的可靠度,其可靠度指标低于按我国现行结构可靠度标准中安全等级建筑的延性构件的目标可靠度指标。 2.钢管塔的载荷情况。钢管杆塔荷载包括永久荷载和可变荷载两类。永久荷载在结构使用期间，其值不随时间变化，或者变化与平均值相比可忽略不计其荷载。对于钢管塔杆结构，杆身自重、导地线、绝缘子及其附件的重力荷载等均为永久荷载；可变荷载在结构使用期间，其值随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略其荷载。对于钢管塔杆结构，风荷载、覆冰荷载、导地线张力荷载、安装检修时的附加荷载等均为可变荷载。将永久荷载和可变荷载进行组合可以得到多种荷载组合。根据不同地形地貌和气候情况，对所处的杆塔受力分析，载荷情况也不一样；对于温度较低，有覆冰地带的杆塔，应考虑各种载荷相互组合的情况，计算出相应的铁塔要求等级。 3．钢管塔连接方式。实际工程中，钢管塔中的钢管多是通过节点板和螺栓进行连接，钢管的约束条件与理论计算所假定的不完全一致。钢管构架中钢管的可能连接型式有以下四种：T型接头(即无加劲肋的单板接头)、I型接头、[型(槽型)接头和U型接头。各种接头的实际稳定系数有一定差别，T型、[型、U型接头试件中U型试件的承载力稍高，是因为U型连接试件无构造偏心。U型接头构件的连接螺栓为双剪，连接螺栓数量可减少，但U型连接构件加工相对复杂，I型接头稳定性较差，一般不推荐使用。输电线路钢管结构中主材常用的节点形式主要有主材和斜材连接、横杆和主材连接两种。而斜材与辅助材主要有交叉斜材、斜材与横材、斜材与辅助材、交叉斜材与横材四种常用节点形式。节点形式的计算要符合《钢结构设计规范》的计算公式，同时满足适用范围、边界条件。钢管塔的节点连接设计根据杆塔构件的结构部位、受力大小和构造要求，有以下节点连接方式：法兰连接、“U”型插板连接、“T”型插板连接等。为解决结构内力、结构构造和加工制造、施工安装中的矛盾，因此，选择节点连接的方式既要保证结构受力稳固又要方便钢管塔的安装和加工。在连接设计中优先选择市场上反映较好、业绩较好的厂家生产的螺栓。 三、应用分析 1.钢管塔的构造要求。钢管塔的结构简单，但节点的连接较为复杂。因为要分析和处理节点的受力问题，则需要注意对模型进行合理的计算。在钢管塔的构造设计的时候，需要考虑创造安装条件以便安装作业完成。比如在主材和斜材上增设登塔脚钉、在横材上加装水平走动扶手用的拉索、在杆件上增设吊孔等等，都要在施工图上来体现。 2.管理与维护。输电线路铁塔不仅是电网的重要组成部分，而且是输送和分配电能的载体，电网系统就是由几个电网连接起来形成的。电网故障很大的一部分原因就是输电线塔的故障，因此，维护和管理输电线路铁塔工作是保障电力能够正常安全运行的关键。随着社会科技的发展以及新型科学材料不断创新，对输电线路铁塔的维护与管理有着积极深刻的影响。过去的维护方法缺乏针对性，往往只能事后补救、抢修，毫无做到事前预警。目前，要求设计人员在设计方面提升输电线路大跨越钢管铁塔的稳定性，还有对输电铁塔有限元计算建模方法结合设计从而实现输电线路铁塔的安全稳定。如何做到事前预警？则是以设计规范为依据，根据在线检测数据，通过相关科技平台对输电线路铁塔整体工程进行准确的评估，并且制定有效的防范措施和实施方案从而保证输电线铁塔的正常安全运行。输电线路铁塔是电网的重要组成部分，是供电系统的重要构成。输电线路监测的主要内容，就是评估输电塔的安全运行情况。 钢管杆塔的应用不仅能减少输电线路中的用地面积，而且结构的力学性能有很大的提高，局部的力学仿真分析也更容易实现，钢管塔
等边角钢 型号 单角钢双角钢 圆角重心 矩 截面 积 质量 惯性 矩 截面模量回转半径iy,当a为下列数值 R Z0 A Ix Wxm ax Wxmi n ix ix0 iy0 6m m 8m m 10m m 12m m 14m m （mm）（cm2 ） (kg/ m) (cm4) (cm3) (cm) (cm) 20×3 3.5 6 1.13 0.89 0.40 0.66 0.29 0.5 9 0.7 5 0.3 9 1.0 8 1.1 7 1.25 1.34 1.43 4 6.4 1.46 1.15 0.50 0.78 0.36 0.5 8 0.7 3 0.3 8 1.1 1 1.1 9 1.28 1.37 1.46 L25×3 3.5 7.3 1.43 1.12 0.82 1.12 0.46 0.7 6 0.9 5 0.4 9 1.2 7 1.3 6 1.44 1.53 1.61 4 7.6 1.86 1.46 1.03 1.34 0.59 0.7 4 0.9 3 0.4 8 1.3 1.3 8 1.47 1.55 1.64 L30×3 4.5 8.5 1.75 1.37 1.46 1.72 0.68 0.9 1 1.1 5 0.5 9 1.4 7 1.5 5 1.63 1.71 1.8 4 8.9 2.28 1.79 1.84 2.08 0.87 0.9 1.1 3 0.5 8 1.4 9 1.5 7 1.65 1.74 1.82 L36×3 4.5 10 2.11 1.66 2.58 2.59 0.99 1.1 1 1.3 9 0.7 1 1.7 1.7 8 1.86 1.94 2.03 4 10.4 2.76 2.16 3.29 3.18 1.28 1.0 9 1.3 8 0.7 1.7 3 1.8 1.89 1.97 2.05 5 10.7 2.38 2.65 3.95 3.68 1.56 1.0 8 1.3 6 0.7 1.7 5 1.8 3 1.91 1.99 2.08 L40×3 5 10.9 2.36 1.85 3.59 3.28 1.23 1.2 3 1.5 5 0.7 9 1.8 6 1.9 4 2.01 2.09 2.18 4 11.3 3.09 2.42 4.60 4.05 1.60 1.2 2 1.5 4 0.7 9 1.8 8 1.9 6 2.04 2.12 2.2 5 11.7 3.79 2.98 5.53 4.72 1.96 1.2 1 1.5 2 0.7 8 1.9 1.9 8 2.06 2.14 2.23 L45×3 5 12.2 2.66 2.09 5.17 4.25 1.58 1.3 9 1.7 6 0.9 2.0 6 2.1 4 2.21 2.29 2.37 4 12.6 3.49 2.74 6.65 5.29 2.05 1.3 8 1.7 4 0.8 9 2.0 8 2.1 6 2.24 2.32 2.4 5 13 4.29 3.37 8.04 6.20 2.51 1.3 7 1.7 2 0.8 8 2.1 2.1 8 2.26 2.34 2.42 6 1 3.3 5.08 3.99 9.33 6.99 2.95 1.3 6 1.7 1 0.8 8 2.1 2 2.2 2.28 2.36 2.44 L50×3 5.5 13.4 2.97 2.33 7.18 5.36 1.96 1.5 5 1.9 6 1.0 2.2 6 2.3 3 2.41 2.48 2.56 4 1 3.8 3.90 3.06 9.26 6.70 2.56 1.5 4 1.9 4 0.9 9 2.2 8 2.3 6 2.43 2.51 2.59 5 14.2 4.80 3.77 11.21 7.90 3.13 1.5 3 1.9 2 0.9 8 2.3 2.3 8 2.45 2.53 2.61 6 14.6 5.69 4.46 1 3.05 8.95 3.68 1.5 1 1.9 1 0.9 8 2.3 2 2.4 2.48 2.56 2.64 L56×3 6 14.8 3.34 2.62 10.19 6.86 2.48 1.7 5 2.2 1.1 3 2.5 2.5 7 2.64 2.72 2.8 4 15.3 4.39 3.45 13.18 8.63 3.24 1.7 3 2.1 8 1.1 1 2.5 2 2.5 9 2.67 2.74 2.82 5 15.7 5.42 4.25 16.02 10.22 3.97 1.7 2 2.1 7 1.1 2.5 4 2.6 1 2.69 2.77 2.85
钢管塔结构设计要点魏顺炎 一概况 钢管塔是主材用钢管构件，斜材用钢管或角钢或园钢组成格构式输电塔的述语，是输电杆塔的结构型式之一。最常用的结构是主材和斜材都用钢管。其次是主材用钢管，斜材用角钢。国外也有塔身全用钢管，横担全用角钢。 国内在上世纪70年代，首先在220KV大跨越工程上采用了钢管塔，主材用钢管，斜材用园钢拉条，取得了较好的技术经济效益。之后，在各电压等级的大跨越塔中大都采用钢管塔，但斜材也用钢管。因为斜材用园钢要求施加初应力，这个初应力值施工难以精确控制。在一般线路上多四路塔、受力较大的塔以及考虑美观的塔也常选用钢管塔。近几年在特高压工程上大量采用了钢管塔。钢管塔的设计逐步规范化，最近出版了钢管塔设计技术规定。 国外美国、日本私欧洲对钢管结构有很多试验研究，在公共建筑上有很多应用如桁架、空间网架私网壳结构等。但是在输电线路上只有日本应用钢管塔较早也较广泛，早在上世纪80年代己出版了输电线路钢管制作标准，对钢管塔的连接件等作了标准化，对节点构造、节点受力分析也形成规定，对我们设计钢管塔有参考价值，尤其是对一般线路的钢管塔。 二设计标准 110KV-750KV架空输电线路设计规范GB50545-2010
架空送电线路杆塔设计技术规定DL/T5154-2002 架空输电线路钢管塔设计技术规定DL/T5254-2010 三结构特点 1 钢管构件迥转半径大，承载力大 以两个角钢组成的十字型断面为例 构件2L160X12 Q345 L＝300cm 迥转半径Υ＝0.188x33.4＝6.28cm 截面积A＝2X37.38＝74.76cm平方 细长比λ＝300/6.28＝47.7 压屈系数Φ＝0.817 承载力N＝0.817X7476X310＝1893446N-1893KN 如考虑弯扭 折算细长比λ＝5.07X16/1.2＝67.7 Φ＝0.676＜0.817 承载力
第46卷第2期西安建筑科技大学学报（自然科学版）V ol.46 No.2 2014年4月 J. Xi'an Univ. of Arch. & Tech. (Natural Science Edition) Apr. 2014 特高压输电钢管塔双重非线性分析 王 辉1,2，汪楚清3，薛建阳1，赵雪灵4 (1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；2.宁夏建设职业技术学院，宁夏银川 750021；3.宁夏回族自治区 电力设计院，宁夏银川，750001；4.中国电力顾问集团西北电力设计院，陕西西安，710075) 摘要：输电铁塔通常被简化成桁架结构并采用线弹性和小变形分析方法进行设计，而特高压输电铁塔结构柔度大、负载高、杆件连接复杂，若仍按线弹性分析不能准确反映其真实的受力情况．采用有限元分析方法建立铁塔空间梁杆混合模型，单元模型中考虑几何非线性和材料非线性的双重影响，并与在设计荷载下的真型塔试验对比验证了模型的正确性．分析结果表明，按线弹性和小变形法设计的特高压输电铁塔安全裕度过大、浪费材料，应考虑几何非线性、材料非线性及端弯矩对结构受力性能的影响．最后对铁塔主材的应力计算及次应力分布特点进行分析，为评估特高压输电塔的承载力提供参考设计建议．关键词：输电铁塔；几何非线性；材料非线性；极限承载力；次应力 中图分类号：TU392.3 文献标志码：A 文章编号：1006-7930(2014)02-0210-07 输电塔作为复杂的空间超静定结构，受力分析复杂，因此目前对其分析及设计基于以下几点假设：1）被简化成空间桁架结构，即所有构件视为杆单元，各构件间的连接视为铰接，只考虑轴力的作用；2）铁塔变形处在小变形范围；3）在不同工况下各构件始终为线弹性变形，即基于线弹性理论进行分析．在杆塔荷载和变形小的情况下，按线弹性理论进行分析是合理的．然而，特高压输电铁塔高度大，承受的荷载也越来越大，按照目前的分析方法往往使得计算结果同结构的实际受力情况有较大的偏差[1]，主要表现在：1)空间桁架模型的节点为铰接，而广泛应用于特高压输电线路的钢管塔节点多采用插板或法兰连接，不能按铰接处理，实际上桁架杆件在节点处受到很大的嵌固作用，节点将产生较大的弯矩，由此产生的杆弯矩具有二阶效应，称为次弯矩，相应的应力称为次应力，如果不考虑次应力对输电塔结构的影响，可能会使钢管塔的设计偏于不安全； 2) 特高压钢管塔高跨比很大，在高荷载作用下，大变形将引起结构受力情况的变化；3）作为高次超静定空间结构体系，塔架结构在实际受力时，各杆件之间存在着相互制约和影响，某些杆件的某个截面的屈服并不会导致整个结构遭到完全破坏，只有屈服的杆件数量及位置达到一定的程度，才能使得结构遭到完全破坏，如果仅按目前将所有杆件控制在弹性范围的设计方法将造成钢材的浪费．因此塔架结构的受力分析，除了应考虑塔架结构的材料和几何非线性，还需考虑次弯矩的影响[2]．国内外学者利用有限元分析方法对考虑了双重非线性的角钢塔进行了非线性分析，并与实际杆塔运行情况进行了对比 [3-8]，但均侧重于承载力、破坏模式分析，未对次应力的影响及分布特点进行研究．李茂华等通过有限元计算研究了次应力分布规律及影响因素[1]，但其应力值按理想梁杆单元有限元模型得出，其理论计算得到的应力不够精确．帅群等研究了斜材和主材之间的夹角对特高压钢管塔主材次应力的影响[9]，韩军科等通过对6基特高压钢管塔分析拟合得到次应力与长细比的关系曲线[10]．对于次应力的计算，以上学者的计算模型非线性不够明显，没有对在非线性状态的铁塔次应力展开研究．考虑杆件端弯矩的影响，可采用的有限元模型有梁杆混合模型和刚架模型．梁杆混合模型塔身主材、横担主材、交叉斜材及横隔面杆件采用梁单元，其余杆件采用杆单元，而刚架模型所有构件均为梁单元．已有研究结果表明梁杆混合模型计算结果与试验结果接近[11]．本文基于有限元分析软件ANSYS，采用梁杆混合模型，考虑几何非线性和材料非线性的双重影响，对铁塔的弹塑性极限承载力和次应力在线性和非线性状态的分布特点及发展规律进行分析研究． 1 有限元模型的建立与验证 本文以1 000 kV淮南-上海（皖电东送）输变电工程中的直线塔SZ322P钢管塔为分析对象，该塔由钢管与角钢组成．塔腿及塔身主材均由Q345钢管组成，斜材和附属材料由Q235钢管或角钢组成，呼高63 m，全高110.7 m．SZ322P的设计条件为：a)导线采用8×LGJ-630/45钢芯铝绞线，地线采用JLB240铝包钢绞 收稿日期：2013-10-12 修改稿日期：2014-04-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11172226)；陕西省重点科技创新团队项目(2014KCT-31) 作者简介：王辉(1978-)，女，讲师，博士生．主要从事钢结构及组合结构方面的研究．E-mail：583962357@https://www.doczj.com/doc/a811890813.html,
角钢规格表 角钢规格表边 A×B 边答应偏差息港中 size allowble deviation 厚度tickness t 3 4 5 6 7 8 9 10 11 厚度答应偏差tickness allowble deviation 25×25 ±1.5 ±0.5 ±0.5 ±0.5 ／ ／ ／ ／ ／ ／ 30×30 ±2.0 ±0.5 ±0.5 ±0.5 ±0.5 ／ ／ ／ ／ ／ 40×40 ±2.0 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ／ ／ ／ ／ 50×50 ±2.0 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ／ ／ ／ ／ 60×60 ±3.0 ／ ±0.6 ±0.6 ±0.6 ±0.6 ± . 6 ／ ／ ／ 65×65 ±3.0 ／ ／ ±0.6 ±0.6 ±0.7 ±0.7 ± . 7 ／ ／ 70×70 ±3.0 ／ ／ ±0.7 ±0.7 ±0.7 ±0.7 ±0.7 ± . 7 ／ 75×75 ±3.0 ／ ／ ／ ±0.7 ±0.7 ±0.7 ±0.7 ± . 7 ／ 80×80 ±3.0 ／ ／ ／ ±0.7 ±0.7 ±0.7 ±0.7 ± . 7 ／ 90×90 ±3.0 ／ ／ ／ ／ ±0.7 ±0.±0.±0.± .
7 7 8 8 100×100 ±4.0 ／ ／ ／ ／ ±0.7 ±0.7 ±0.7 ±0.8 ± . 8 角钢重量规格表一览 规格 理重 规格 理重 规格 理重 规格 理重 25*3 1.124 100*6 9.366 25*16*3 0.912 100*63*6 7.55 25*4 1.459 100*7 10.83 32*20*4 1.522 100*63*7 8.722 30*3 1.373 100*8 12.276 32*20*4 1.522 100*63*8 9.878 30*4 1.786 100*10 15.12 40*25*3 1.484 100*63*10 12.142 40*3 1.852 100*12 17.898 40*25*4 1.936 100*80*6 8.35 40*4 2.422 100*14 20.611 45*28*3 1.687 100*80*7 9.656 40*5 2.976 100*16 23.257 45*28*4 2.203 100*80*8 10.946 50*3 2.332 110*7 11.928 50*32*3 1.908 100*80*10 13.476 50*4 3.059 110*8 13.532 50*32*4 2.494 110*70*6 8.35 50*5 3.77 110*10 16.69 56*36*3 2.153 110*70*7 9.65 50*6 4.465 110*12 19.782 56*36*4 2.818 110*70*8 10.946 60*5 4.57 110*14 22.809 56*36*5 3.466 110*70*10 13.476 60*6 5.42 125*8 15.504 63*40*4 3.185 125*80*7 11.066 63*4 3.907 125*10 19.133 63*40*5 3.92 125*80*8 12.551 63*5 4.822 125*12 22.696 63*40*6 4.638 125*80*10 15.474 63*6 5.721 125*14 26.193 63*40*7 5.339 125*80*12 18.33 63*8 7.469 140*10 25.522 70*45*5 4.403 140*90*10 17.475 规格 理重 规格 理重 规格 理重 规格 理重 70*6 6.406 140*14 29.49 70*45*6 5.218 140*90*12 20.724 70*7 7.398 140*16 33.393 70*45*7 6.011 140*90*14 23.908 70*8 8.373 160*10 24.729 70*50*5 4.808 160*100*10 19.872 75*5 5.818 160*12 29.391 70*50*6 5.699 160*100*12 23.592 75*6 6.905 160*14 33.987 75*50*8 7.431 160*100*14 27.247 75*7 7.976 160*16 38.518 75*50*10 9.098 160*100*16 30.835 75*8 9.03 180*12 33.159 80*50*5 5.005 180*110*10 22.273 75*10 11.089 180*14 38.383 80*50*6 5.935 180*110*12 26.464 80*6 7.376 180*16 43.542 80*50*7 6.848 180*110*14 30.589 80*8 9.658 180*18 48.634 80*50*8 7.745 180*110*16 34.649 80*10 11.874 200*14 42.894 90*56*5 5.661 200*125*12 34.436 90*6 8.35 200*16 48.68 90*56*6 6.717 200*125*14 39.045 90*8 10.946 200*18 54.401 90*56*7 7.756 200*125*16 39.045 90*10 13.476 200*20 60.056 90*56*8 8.3779 200*125*18 43.588 90*12 15.94 200*24 71.168 等边角钢理论重量计算