一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法技术

本发明专利技术涉及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连接；所述法兰盘上垂直设有螺栓和肋板；所述方法包括：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。本发明专利技术技术方案给出了更规范、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。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术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。
技术介绍
：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。
技术实现思路
：本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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，Yi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：0.5Ds≤hu≤0.6Ds式中：hu为最优加劲肋长度，Ds为变坡处上主材管径。所述肋板厚度t通过下式联立确定：0.5Ds≤hu≤0.6Ds其中，h＝hu，e为螺栓中心距钢管外壁的水平距离，fv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，Mmax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Mmax通过下式确定：其中，β为弯矩系数，q为法兰盘上均布荷载，Lx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，Ly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，本专利技术提供技术方案具有以下优异效果1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术技术方案工作效率高，存在较少安全隐患，设计精度高；5、本专利技术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为本专利技术实施例钢管塔变坡节点在整塔上的位置图；图2为本专利技术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为本专利技术实施例取管外壁切线为旋转轴示意图；图6为本专利技术实施例取管中心为旋转轴示意图；图7为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术实施例变坡节点水平连接板受力简图；图11为本专利技术实施例方法流程图。具体实施方式下面结合实施例对专利技术作进一步的详细说明。实施例1：本例的专利技术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，本专利技术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；Yi——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，本专利技术通过研究变坡节点主材最大应力随加劲肋高度变化规律，进行汇总本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于：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。2.如权利要求1所述的一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法，其特征在于：所述拉力通过下式确定：Ntmaxb=N/n≤Ntb]]>式中：N为法兰盘所受的拉力；n为法兰盘盘上螺栓数目，为螺栓受拉承载力设计值。3.如权利要求2所述的一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法，其特征在于：所述拉力通过下式确定：Ntmaxb=M·Y1ΣYi2±Nn≤Ntb]]>式中：M为法兰盘所受的弯矩，N为法兰盘所受的轴心作用力，Yi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，取法兰盘所连接的钢管外径一半的0.8倍为旋转轴；当时，取法兰盘所连接的钢管中心为旋转轴；r2为法兰盘所连接的钢管外壁半径。4.如权利要求1所述的一种输电线路钢管塔变坡节点设计方法，其特征在于：所述肋板高度通过下式确定：0.5Ds≤hu≤0.6Ds式中：hu为最优加劲肋长...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓光，韩军科，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网浙江省电力公司，
类型：发明
国别省市：北京;11