徐徐

摘要：世界上各個國家因?qū)嶋H情況不同，對于輸電鐵塔輔助支撐材料的設(shè)計差異較大。通過對中國、美國、歐洲以及印度相關(guān)規(guī)范進行梳理，將研究結(jié)果與鐵塔真型試驗實測的數(shù)據(jù)以及有限元數(shù)值模擬分析的數(shù)據(jù)進行相關(guān)的比較和分析，提出符合中國的輸電鐵塔輔助材料的建議公式，并且在經(jīng)過模型驗證以及經(jīng)濟性分析后滿足工程設(shè)計的要求，以此作為相關(guān)規(guī)范修編的一個參考。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；輔助材；真型試驗；支撐力

在輸電線路的鐵塔設(shè)計中，輔助材料的作用主要是減小受力支撐，提高承載能力，在鐵塔有限元建模分析中，一般并不參與受力的分析，其自身所受的負荷，以及自身的重量，在輔助材料中，大可忽略不計，進行圖紙設(shè)計，要根據(jù)規(guī)范要求進行受力分析和選擇材料，隨著電壓等級的提高，鐵塔尺寸和規(guī)模也隨之越來越大，輔助材在鐵塔中所占的比例也逐步提高，特別是特高壓山地長短腿角鋼塔輔助材設(shè)計在整個鐵塔的工作量占到一半以上，而國內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)定中只簡單的要求輔助才支撐力按照相應(yīng)的固定百分比進行設(shè)計，與美國、歐洲的規(guī)范，設(shè)計原則相比要求相對簡單，沒有與所支撐鋼件的實際長細比等關(guān)聯(lián)，當長細比比較大的時候，這些主材存在支撐力不足的缺陷，容易導(dǎo)致風(fēng)險。目前，國內(nèi)，在多種輸電鐵塔領(lǐng)域，研究，已經(jīng)有了部分成果，研究人員對于鐵塔輔助才合理的計算方式也進行了一定研究，但與國外相關(guān)規(guī)范相比缺乏合理的推薦公式，本文就通過對多種輸電鐵塔進行對比分析和實際計算，提出在鐵塔輔助材料選材的相關(guān)建議，為國內(nèi)相應(yīng)規(guī)范的制定提供參考。

1.相關(guān)規(guī)范對輔助材設(shè)計的要求及對比分析

各國規(guī)范中對輔助材都規(guī)定按照被支撐主材軸力的一定百分比進行設(shè)計，但由于各國實際情況有所不同，在具體的取值范圍上也存在較大的差異。中國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，和印度的相關(guān)規(guī)范IS802，只是簡單地給出了一個固定的百分比，并沒有實際考慮到被支撐主材個別特性，而美國和歐洲的相關(guān)規(guī)范則依據(jù)被支撐主材的特性即材料的長細比進行計算確定，當這一比例較大時則材料所需要的支撐力也就越大，但沒有明確主材料和鞋材料支撐的區(qū)別。

一般在具體應(yīng)用中要計算輔助才支撐百分比，也就是輔助材支撐力在主材支撐力的中所占的百分比，它的取值范圍一般分為兩類，當輔助材支撐的百分比大于一定范圍之后，其規(guī)定輔助材支撐力百分比不隨長細比的變化而變化，當輔助材支撐百分比過小時，則會出現(xiàn)不穩(wěn)定、不安全現(xiàn)象，這一數(shù)據(jù)中印度的規(guī)范相比其他規(guī)范來說規(guī)定的比較保守，經(jīng)對比分析可知，中國與美國以及歐洲的規(guī)范支撐力的百分比曲線長細比在90左右存在交叉。

通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，各國規(guī)范對于輔助才支撐力的百分比取值范圍存在差別較大，美國和歐洲的規(guī)范中規(guī)定，當主材料的長細比大于一定值后，其長細比于輔助才支撐力的百分比，呈正相關(guān)的發(fā)展趨勢，這兩種材料的輔助支撐力百分比大體相同，而我國和印度材料支撐力百分比為特定值時，其不隨長細比的變化而變化，會獲得相應(yīng)的材料百分比組材料長細比的對應(yīng)關(guān)系，筆者通過真形和數(shù)據(jù)模擬方式展開了進一步研究。

2.典型輔助材布置方式試驗對比分析

為進一步驗證過規(guī)范所規(guī)定的輔助才受力取值范圍是否合理，現(xiàn)找出國內(nèi)多個輸電線路工程試驗的數(shù)據(jù)，進行分析，將數(shù)據(jù)結(jié)果與各國規(guī)范財，支撐力的百分比取值進行比較，驗證該比例是否合理以及規(guī)范取值的準確性。

通過對上述試驗數(shù)據(jù)以及相關(guān)鐵塔設(shè)計的經(jīng)驗可知，一般電力鐵塔在主裁長細比設(shè)計時均在60以下，但各國規(guī)范中規(guī)定的主材長細比最高可達150，為適應(yīng)各國規(guī)范對主材長細比的規(guī)定范圍，需進一步擴大數(shù)據(jù)來源，增加數(shù)據(jù)個數(shù)，為規(guī)范公式提供實踐依據(jù)。

3.輔助材支撐力有限元數(shù)值模擬分析方法

受實際環(huán)境的制約，鐵塔真型試驗的數(shù)據(jù)不可能全部搜集，真型數(shù)據(jù)的有限性，就是得實驗數(shù)據(jù)覆蓋的允許主材長細比的范圍較小，因此為進一步增加輔助材質(zhì)長細百分比的范圍，采取有限元模擬的方法，以提取相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，對于試驗的數(shù)據(jù)進行補充。

3.1驗證有限元模擬數(shù)據(jù)的正確性

借助有限元分析軟件進行數(shù)據(jù)的建模分析，并結(jié)合鐵塔實際受力的特點，以及計算進行設(shè)計的相應(yīng)原則，鐵塔組材料采取梁單元進行模型分析，其他輔助材使用相應(yīng)的單元進行建模，截面則按實際截面進行建模，通過建模分析可建筑材料和鞋材在支撐位置應(yīng)力值發(fā)生變化，在有限元數(shù)據(jù)模型中，鐵塔的構(gòu)件都起到了相應(yīng)的支撐作用。

3.2應(yīng)用有限元數(shù)值模擬研究輔助才支撐力

在有限元數(shù)據(jù)模型中，通過對各結(jié)構(gòu)和尺寸的規(guī)格調(diào)整，進一步增加了長細比數(shù)值的取值范圍以及輔助才支撐力百分比的數(shù)值，為輔助材支撐力百分比計算提供更多、更可靠的依據(jù)。

通過對有限元數(shù)據(jù)分析計算得到的結(jié)論如下：在長細比大于60的數(shù)據(jù)范圍中，歐洲和美國的規(guī)范百分比取值與實驗數(shù)據(jù)的輔助才支撐比值相近，而我國和印度的規(guī)范則不能體現(xiàn)變化規(guī)律，輔助才支撐比增大的趨勢，也無法隨著主材長細比的增大而增大，可見美國和歐洲的規(guī)范采取的增大曲線較為合理，但仍有相當數(shù)量的數(shù)據(jù)超出曲線取值范圍。

3.3對于輔助材支撐力百分比公式的修正

通過對上述分析，可得而知，鐵塔結(jié)構(gòu)主材的長期比一般在20到60之間，而且在此范圍內(nèi)輔助支撐材料，會隨著長期變化而變化，但變化并不明顯。當主材料長細比超過額定范圍逐漸增大時，輔助材料支撐的百分比也會隨著長細比而變化，這種變化比較顯著。此公式應(yīng)根據(jù)上述規(guī)律而進行修改，以提高工程的適用性，滿足工程建設(shè)的需要。

3.4推薦公式經(jīng)濟性分析

為驗證本文所推薦的輔助材質(zhì)稱百分比計算公式是否具有經(jīng)濟性，在選取具有代表性的塔身模型進行試驗，可對材料進行對比，比較所選材料的鋼材量，為提高結(jié)果的可靠性，選取的材料數(shù)量較多。當對比分析后可發(fā)現(xiàn)，雖然長期比大于45后，推薦公司的百分比取值較高，但大部分塔身的長細比小于45，推薦公式可使用材料可降低規(guī)格。

4.結(jié)論

通過對各規(guī)范輔助才支撐力百分比進行分析可以發(fā)現(xiàn)，中國的規(guī)范和其他典型國家和地區(qū)規(guī)范取值方式存在較大差異，差異體現(xiàn)在與長細比的關(guān)系上，當長細比大于定值時，美國和歐洲的規(guī)范中長細比呈正相關(guān)，且比例大體相同，但中國規(guī)范材料支撐的百分比為定值時，并不隨著長細比的增大而發(fā)生變化，通過實驗分析和有限元數(shù)據(jù)模型可得計算公式。通過塔身輔助材經(jīng)濟性研究， 可知經(jīng)修正的推薦公式可明顯降低輔助材重量。

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