偏心节点钢管塔的受力分析和设计建议

浅谈输电线路杆塔设计的相关问题介绍作者：李巧慧来源：《机电一体化》2014年第01期【摘要】近年来，随着我们电网建设的不断加强，输电线路杆塔得到了前所未有的发展，在电网建设中，杆塔作为架空高压输电线路的重要组成部分，其设计质量的好坏直接影响线路的经济性和可靠性。

为全面提升输电线路安全运行水平和杆塔结构稳定性，进一步开展线路杆塔结构的创新研究势在必行。

【关键词】输电线路；杆塔结构；设计1 输电线路杆塔的概述输电线路杆塔是在架空输电线路中用来支撑输电线路的支撑物。

输电线路杆塔多由钢材或钢筋混凝土制成，是架空输电线路的主要支撑结构。

输电线路杆塔按使用材料分为角钢塔、钢管杆、钢管塔和钢筋混凝土杆。

其中高压输电线路杆塔中最常见的是角钢塔，其优点是坚固、可靠，使用周期长；缺点是钢材消耗大、造价高、施工工艺较复杂。

本文仅介绍角钢塔结构设计中的一些体会，仅供参考。

2 输电线路杆塔的设计2.1 输电线路杆塔结构设计的计算方法计算方法是提高和体现铁塔设计水平的重要条件。

从过去手算惯用的假定杆塔结构型式为静定的平面桁架分析方法，到现在多用的《多接腿铁塔满应力设计、验算程序》软件计算，就可以直接用空间迭代计算方法按照空间超静定桁架进行计算了，这个软件计算的主要特点是：（1）可快速建立建模，根据实际建立有效的力学模型；（2）可自动判断和设置受力杆件的计算参数。

如：杆件计算长度，计算长细比，稳定系数等；（3）满应力计算，可以验算得出每个工况的杆件内力，也可自动迭代优化选材。

（4）即可以计算单基塔，也可以是多接腿塔型，以及长短腿，由程序自动更换接腿，不同的接腿与本体结合到一起就构成了新塔。

（5）根据设计条件自动计算各种工况下的集中荷载。

（6）可进行纯补助才的选材计算或验算。

2.2 杆塔结构杆件的布置在铁塔开始设计之前，结构人员必须与电气人员密切配合，领会电气人员的意图和目的，在满足电气要求的前提下，杆件布置力求做到主材传力清晰，构造力求简单，杆件准线尽可能交于一点，减少偏心。

跨越钢管塔设计中的若干问题分析摘要：本文结合某大跨越塔探讨了跨越钢管塔设计中的问题。

关键词：跨越钢管塔；承载力；偏心弯矩中图分类号： s61 文献标识码： a 文章编号：1.概况某大跨越塔跨越最大基准设计风速为高45m/s(离地面10m)。

导线型号为2×ktacsr/est-720，架空地线一侧选用铝包钢线jlb1b-100，另一侧兼作通信通道采用光纤复合架空地线opgw-290。

基于安全可靠、美观实用、节省造价的原则，结合方便施工、可靠运行等方面的考虑，经过多种方案比较，最后确定了采用自立式钢管塔方案。

下面就该大跨越钢管塔设计中的关键技术问题作详细分析。

2.杆件断面型式的确定本大跨越塔高215.5m，基准设计风速又高达45m/s，按以往工程经验，200m以上的大跨越塔塔身风荷载约占总荷载的70% 以上。

降低塔身风荷载是大跨越塔结构设计首要考虑的问题。

目前国内外200m以上的大跨越塔构件形式主要有格构式角钢和钢管两种。

比较而言，钢管具有构件体型系数小、回转半径大和抗失稳能力强等特性，比角钢更具优势。

格构式角钢和钢管两种方案计算比较结果见表1。

可见，钢管方案比角钢方案节省钢材约43.3%，基础上拔力少约19.2%，基础下压力少约31.5%，钢管方案优势明显。

3.管径与壁厚的确定经过计算比较，跨越塔的最大钢管规格用q345bф1580×30，塔身最轻。

但现行《钢结构设计规范》(gb 50017-2003)第10.1.3条规定，热加工管材和冷成型管材不应采用屈服强度超过345mpa以及屈强比fy/fu >0.88的钢材，且钢管壁厚不宜大于25mm。

按此规定，塔身变坡以下的钢管规格就要用到q345bф1790×25，这不仅加大了加工、镀锌及施工的难度，也使塔重和基础受力增大。

再查阅《钢结构设计规范》的条文说明，上述条文对板厚的限制是限于国内加工能力问题。

参考国外相关规范，欧洲规范虽然也有类似的规定，但却是为了防止层状撕裂，只要材料具有较好的z向性能，也可不受限制。

偏心支撑钢框架性能介绍与设计要点摘要：本文对偏心支撑钢框架的抗震性能进行了简单的介绍，比较了不同的偏心支撑的形式，并说明各种形式的优缺点。

然后对偏心支撑钢框架消能梁段的设计方法进行了介绍，并为实际设计中采用这种支撑形式的结构提出了设计建议。

关键词：偏心支撑钢框架；性能；设计Abstract: This paper take a simple introduction to the seismic performance of eccentrically braced steel frame, compare different eccentric support in the form, and explain the advantages and disadvantages of various forms. Beam segments of the energy dissipation of eccentrically braced steel frame design method were introduced and the proposed design for the actual design of the structure of this support in the form of recommendations.Keywords: eccentrically braced steel frame; performance; design1.偏心支撑钢框架性能简介偏心支撑钢框架是近二十年发展起来的、并在抗震设防八度及以上的地震区的钢结构建筑中得到较多的应用。

它是在构造上使支撑至少有一端偏离梁和柱的轴线交点而与梁相交，另一端可在梁柱交点处进行连接，或偏离另一根支撑斜杆一端长度与梁相连，这样就在支撑斜杆杆端与柱子之间或者两根支撑斜杆的杆端之间构成了消能梁段。

如图1所示，为常见的几种偏心支撑的类型和消能梁段的构成。

1.1 塔楼大偏心梁柱节点抗震设计1.1.1 大偏心梁柱节点受剪承载力计算方法本工程由于柱截面较大，外框梁跨度较小，截面尺寸较小且齐柱边布置，导致梁柱偏心较大（大于0.25倍柱宽）。

根据参考文献相关的试验结果分析认为，梁柱节点核芯区的剪力主要由混凝土和箍筋形成的斜压杆、桁架和约束机构承担，偏心节点核芯区剪应力分布不均匀，导致远离偏心一侧的截面强度没有得到充分发挥，相当于减少了节点核芯区的有效抗剪面积，可引入与偏心距相关的有效截面宽度bj 来反映承载力的降低。

目前，中国规范对偏心节点的有效宽度的计算公式主要取决于梁和柱截面尺寸 ， 未能直接反映梁柱偏心距的影响 ，且对偏心距e>bc/4（bc 为柱截面高度）的情况未能给出相应的计算方法。

国内外学者对此进行了相关研究，其成果可供大偏心梁柱节点设计参考。

1.1.1.1 胡庆昌教授建议[文献1]参考胡庆昌教授著作《建筑结构抗震减震与连续倒塌控制》（2007），建议大偏心梁柱节点受剪承载力计算仍可采用现行规范公式进行计算。

其中，梁柱大偏心节点的有效受剪截面宽度bj 可按以下取值：c j b c c j b c0.25=0.250.25=0.5x h b b x h x h b b h <++≥+时，时，同时，节点核芯区有效面积内配箍应满足受剪承载力要求，同时在有效面积以外的柱截面配箍不宜小于《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）中第6.3.10条的要求：框架节点核芯区箍筋的最大间距和最小直径宜按本章6.3.7条采用；一、二、三级框架节点核芯区配箍特征值分别不宜小于0.12、0.10和0.08，且体积配箍率分别不宜小于0.6％、0.5％和0.4％。

柱剪跨比不大于2的框架节点核芯区，体积配箍率不宜小于核芯区上、下柱端的较大配箍率。

1.1.1.2 柳炳康教授建议[文献2]合肥工业大学柳炳康教授在其论文《钢筋混凝土框架梁柱偏心节点抗震性能的试验研究》中，通过4榀钢筋混凝土框架偏心节点在低周反复荷载作用下的试验，探讨了梁柱偏心对框架节点的抗剪强度的影响，以了解不同偏心距下节点的延性及耗能能力，提出了节点有效抗剪面积的计算方法，并将试验值与计算值进行了比较，结果表明两者吻合较好。

浅析输电钢管铁塔应用郑维权（云南省电力设计院，昆明，650011）摘要：本文通过对输电钢管铁塔的优越性研究，利用现行铁塔通用设计软件对其进行优化设计，并分别从重量、造价等来分析钢管塔的优越性，对钢管塔的应用、推广及降低工程造价具有实际意义。

关键词：钢管塔应用造价中图分类号：TM726.1文献标识码：A 文章编号：1672—7355（2012）10—0165—011构件受力分析自立式铁塔属于空间桁架，为超静定空间体系，目前通常采用杆系有限元法的计算程序计算铁塔的内力。

计算时认为所有杆件都是二力杆，不是受轴向拉力，就是受轴向压力，没有弯矩，节点都是理想铰。

对于再分式腹杆。

都假定为零杆，只起减少塔柱或主腹杆计算长度的作用。

根据规范，对于轴心受力构件强度计算如下：NAmfn/ 对于偏心连接钢管构件的强度折减系数m取0.85，而对于单肢连接的角钢构件（肢宽＞40mm）的m取0.7，也就是说对于强度控制的偏心受力构件，在截面面积和材质相同的情况下，钢管要比角钢构件承载能力高21.4%。

轴心受压构件的稳定计算如下：AmfN N/( ) ，轴心受压构件稳定系数是由构件的长细比K 查表所得，结构用无缝钢管属于a 类截面构件，角钢构件属于b类截面构件，在相同长细比的情况下，a类截面的稳定系数高于b类截面的稳定系数，并且，长细比与稳定系数成反比。

由公式KKL/r0 ，其中r为回转半径，可以得出，在相同计算长度的情况下，r越大，则长细比K 越小，铁塔轴心受压构件稳定系数越大，其承载能力也就越高。

对于自力式铁塔稳定控制的受力构件，在截面面积、计算长度和材质相同的情况下，钢管要比角钢构件承载能力高10%到60%左右。

2实例铁塔验证在钢管塔的设计中，去除了塔身斜材的再分式腹杆。

增加了塔身主材与斜材的计算长度，减少了塔身风荷载的受风面积，并加大了腿部主材、斜材的计算长度，减少了一定量的辅材。

在此基础上，优化了塔头与隔面的布置。

技术讨论钢构件偏心连接对整体结构的影响分析在多高层钢结构体系中，框架+支撑（钢板墙）结构体系应用较多。

为了外墙或内墙墙面齐平的需要，钢梁和支撑的一个表面常与柱边平齐，而不是与柱的轴线对中。

目前混凝土梁相对于柱构件的偏心影响，已经为广大设计人员所熟知，并且《高层建筑混凝土结构技术规程》给出了梁轴线偏离柱轴线时的构造要求。

对于钢框架+支撑体系，钢梁及支撑（钢板墙）构件对柱轴线产生的偏心对整体结构有何影响，目前相关文献较少，比如说，构件偏心产生的不利效应是否会逐层累积？本文从力学分析、有限元验证两个方面，探讨偏轴梁和支撑对整体结构内力和侧移的影响。

1 构件偏心连接对柱受力影响的力学分析1.1 构件偏心对柱产生的附加内力图1给出了梁、支撑对柱偏心的计算模型。

图1(a)为梁、支撑与柱的平面图，图1(b)为力学分析图，给出了参考坐标系。

图1 偏轴梁、支撑与柱的计算模型梁和支撑的轴线位于yz平面内，梁与支撑轴线的交点沿x向与柱轴线的偏轴距离为e。

在yz平面内梁和支撑有如下内力：偏轴梁的轴力与剪力可以表示为N BY、V BZ，偏轴支撑的轴力及其在y、z方向的分量可以表示为N R、N RY、N RZ。

梁轴力N BY和支撑轴力水平分量N RY之和对柱的作用表现为xy平面内的扭矩T Z，梁剪力V BZ和支撑轴力的竖向分量N RZ之和对柱的作用表现为xz平面内的弯矩M Y。

T Z和M Y可以表达为：1.2 偏心弯矩的耗散梁与支撑对柱产生的扭矩T Z作用在楼层平面内，由楼板、梁和柱按刚度比例一起承担。

由于楼板面内刚性较大，该扭矩在梁柱构件内分配较小，对梁柱构件影响不大。

梁与支撑对柱产生的弯矩M Y由xz 平面内与节点相连的各杆件按线刚度分配，如图2所示。

设上下柱的线刚度为i c1、i c2，左右梁的线刚度为i b1、i b2，则在节点处柱和梁分配到的偏轴弯矩可以表示为：易知，柱传递到另一端的偏心弯矩为1/2M ci，该弯矩再继续分配下传，数值已经很小了。

偏心塔楼结构设计分析摘要：本文以某偏心塔楼为例，介绍了该工程的特点、超限情况、基于性能的抗震设计目标,并对结构的关键部位进行了细部分析,使结构满足抗震性能目标要求。

综合分析表明,通过合理的结构布置及加强措施,保证结构具有足够的安全能力。

关键词：偏心塔楼；建筑；结构设计；1工程概况某塔楼项目整个地块呈方形,总用地面积65206m2,总建筑面积290050.85m2。

西南侧为浦口大道,城市快速路,西北侧隔着东方红河,与迎江河相望。

该项目整体设置2层地下室,地下2层为人防地下室。

上部由一栋16层的商业主楼、一栋3层商业裙房、一栋4层停车楼、一栋高层酒店、一栋高层办公楼及一栋多层办公楼组成。

地面以上酒店、办公楼、停车楼与商业楼之间设置抗震缝,分为各自独立的抗震单元。

图1为建筑整体效果图。

“L”形商业主楼中间设置一道抗震缝,分为左右两个单体,图中红线圈出范围为右单体。

右单体与北侧多层商业裙房连成整体进行设计。

塔楼与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长的20%,为塔楼偏置建筑。

该楼底部长约135m,宽约62.98m,2层地下室,地上裙房3层,裙房屋面高度为18.0m；塔楼13层,塔楼屋面高度为72.4m。

图1建筑整体效果2结构布置本工程采用框架-剪力墙结构,高度为72.4m,满足A级最大适用高度120m的限值。

本工程单塔与大底盘的质心偏心距分别为X向33.4%,Y向13.7%；部分楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2,最大为1.38；部分构件由于建筑功能要求,局部个别竖向构件存在转换,为含1项特别不规则和2项一般不规则超限高层建筑结构。

3基础形式本工程设2层地下室,室外地面标高为-0.15,地下室底板顶面标高为-10.15,底板厚500mm,设计基础埋置深度为10.50m,满足规范基础埋置深度要求。

采用桩基+防水板基础,桩基设计等级为甲级。

根据上部结构荷载及地质条件,其中商业主楼选用700mm直径钻孔灌注桩,以5-2层中风化泥质粉砂岩为桩端持力层（frk=4210kPa）,桩端进入持力层1.0m,有效桩长42m～44m,桩身混凝土强度等级为C40,单桩抗压承载力特征值Ra＝3700kN；商业裙房选用700mm直径钻孔灌注桩,抗压兼抗拔,桩长约32m,以3-2层粉质黏土夹粉土层为桩端持力层,桩身混凝土强度等级为C30,单桩抗压承载力特征值Ra＝1500kN,抗拔承载力特征值Ra＝1000kN。

偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策随着城市化进程的不息加速，高层建筑的兴起让偏心支撑钢框架结构在工程实践中得到了广泛应用。

然而，循环荷载作用下偏心支撑钢框架容易发生破坏，引发了人们对其破坏机理和抗震设计对策的高度关注。

本文将探讨偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理，并提出相应的抗震设计对策。

偏心支撑钢框架结构受到的主要荷载是垂直荷载和水平荷载。

垂直荷载产生的主要是重力作用，而水平荷载则是地震作用引起的。

地震作用是导致偏心支撑钢框架结构破坏的主要原因。

在地震作用下，偏心支撑钢框架结构受到的剪力和弯矩作用集中在支撑柱和偏心支撑连梁上，这就导致了柱和连梁的受力不匀称，容易产生破坏。

在循环荷载作用下，偏心支撑钢框架结构的破坏机理主要源于两个方面。

起首，钢材的降伏和屈服导致了其刚度和强度的下降。

当钢材的屈服点被超过后，其反抗外荷载的能力将大大降低，从而引发结构的塑性变形和破坏。

其次，偏心支撑钢框架结构的刚度不足也是破坏的重要原因。

当地震作用作用于结构时，由于刚度不够，结构会发生明显的位移，从而造成结构的破坏。

在抗震设计方面，为了提高偏心支撑钢框架结构的抗震能力，需要实行一系列的对策。

起首，应增加结构的刚度，提高结构的抗震性能。

可以通过增加框架的构件尺寸、增加框架的截面面积和增加框架的毗连点数等方式来提高结构的刚度。

其次，应进行合理的构造设计，以提高结构的承载能力。

通过增加水平及纵向抗震支撑、接受钢板剪力墙和设置混凝土核芯等手段，可以提高结构的抗震性能。

此外，还应加强结构的耐久性，增加结构的延性和韧性，并合理安置剪力墙、防止结构产生局部滑移等，从而增强结构的抗震性能。

综上所述，偏心支撑钢框架在循环荷载作用下容易发生破坏。

探究其破坏机理对于提高结构的抗震能力具有重要意义。

通过增加结构的刚度、进行合理的构造设计、加强结构的耐久性等一系列抗震设计对策，可以有效提高偏心支撑钢框架结构的抗震性能。