談輸電塔螺栓連接設(shè)計(jì)

王 力 肖俊俊*

(安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230000)

談輸電塔螺栓連接設(shè)計(jì)

王 力 肖俊俊*

(安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230000)

對輸電塔連接螺栓的受力狀態(tài)和可能出現(xiàn)的破壞形式進(jìn)行了分析，通過研究孔壁擠壓和螺栓剪切對節(jié)點(diǎn)螺栓個數(shù)的影響，提出采用臨界厚度來判斷螺栓連接控制因素的方法，總結(jié)了110 kV～500 kV輸電線路角鋼塔螺栓設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和建議。

輸電塔，連接螺栓，孔壁擠壓，螺栓剪切，臨界厚度

0 引言

連接螺栓的計(jì)算在輸電鐵塔的設(shè)計(jì)中占有重要地位。本文擬結(jié)合最新的行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，通過對螺栓連接的計(jì)算理論、破壞形態(tài)等進(jìn)行分析，總結(jié)110 kV～500 kV輸電線路角鋼塔連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，并提出螺栓規(guī)格及材質(zhì)的選擇、螺栓個數(shù)計(jì)算等方面的建議，供線路結(jié)構(gòu)專業(yè)的同行參考。

1 輸電塔螺栓應(yīng)用現(xiàn)狀

在以往的輸電鐵塔設(shè)計(jì)中，連接螺栓大多采用4.8級和6.8級的粗制螺栓。隨著高壓輸電線路的發(fā)展和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，輸電塔的荷載越來越大，高強(qiáng)鋼及與高強(qiáng)鋼相匹配的高強(qiáng)螺栓得到廣泛的應(yīng)用。DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[1](以下簡稱“技術(shù)規(guī)定”)中規(guī)定：螺栓連接宜采用4.8級，5.8級，6.8級，8.8級熱浸鍍鋅螺栓和螺母，有條件時(shí)也可采用10.9級螺栓。據(jù)了解，6.8級螺栓的市場價(jià)格與4.8級和5.8級差別不大。因此，為了減少螺栓材質(zhì)的種類、增大螺栓的安全裕度、優(yōu)化連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造，設(shè)計(jì)人員一般較少采用4.8級，5.8級螺栓；8.8級高強(qiáng)度螺栓近年來在輸電線路桿塔上已應(yīng)用較多，具有較豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；10.9級螺栓由于強(qiáng)度很高，質(zhì)量難以得到保證，特別是在酸洗、熱鍍鋅過程中容易出現(xiàn)氫脆等不良現(xiàn)象，在輸電塔上應(yīng)用還不多。

目前，輸電塔連接螺栓設(shè)計(jì)時(shí)多采用6.8級和8.8級螺栓，一般M16，M20用6.8級，M24用8.8級。與一般鋼結(jié)構(gòu)所使用的高強(qiáng)度螺栓不同的是，輸電鐵塔采用的8.8級高強(qiáng)螺栓實(shí)際上是滿足相應(yīng)強(qiáng)度級別的高強(qiáng)度粗制螺栓，其加工標(biāo)準(zhǔn)較摩擦型或承壓型高強(qiáng)度螺栓偏低，計(jì)算公式與普通螺栓的相同。

2 輸電塔螺栓破壞形態(tài)

輸電塔螺栓的受力狀態(tài)主要有受剪和受剪拉2種，除掛線點(diǎn)、橫擔(dān)連接處等局部位置會出現(xiàn)同時(shí)受剪拉的情況，其余桿件連接的螺栓主要受剪。受剪螺栓連接破壞時(shí)可能出現(xiàn)五種破壞形式：1)螺桿剪斷；2)孔壁擠壓破壞；3)桿件被拉斷；4)桿件端部或孔與孔間的桿件被剪壞；5)螺栓桿彎曲破壞。這五種破壞形式，無論哪一種先出現(xiàn)，整個連接就破壞了。通常對前面三種可能出現(xiàn)的破壞情況，需通過計(jì)算來防止，而后兩種情況則通過構(gòu)造加以保證。對于第4)種破壞形式，《技術(shù)規(guī)定》是通過限制孔間距及端距來保證。對于第5)種破壞形式，可通過限制橋疊厚度不超過5倍螺桿直徑來保證，對于輸電鐵塔螺栓連接而言，不會發(fā)生此種破壞。受剪拉螺栓兼有受剪和受拉兩種螺栓的受力情況，工作性能比較復(fù)雜，《技術(shù)規(guī)定》采用先考慮螺栓受剪性能，再用相關(guān)公式考慮受剪和受拉同時(shí)作用的綜合效果[1]。

3 受力特性分析

表1列出了鋼材和螺栓的孔壁承壓設(shè)計(jì)值?？梢钥闯觯涂妆诔袎憾?，當(dāng)采用4.8級螺栓時(shí)，對Q235級別的角鋼，由桿件控制，對Q345及以上級別的角鋼，由螺桿控制；當(dāng)采用6.8級和8.8級螺栓時(shí)，無論對何種級別的角鋼，均由桿件控制。對于桿件材質(zhì)為Q345級別甚至更高，在使用4.8級螺栓連接時(shí)，除了考慮螺栓的剪切強(qiáng)度校核外，還要考慮螺桿的孔壁承壓驗(yàn)算。當(dāng)使用6.8級或8.8級螺栓時(shí)，可不校核螺桿承壓強(qiáng)度。因此，為了減少設(shè)計(jì)工作量，避免出現(xiàn)差錯，不建議材質(zhì)為Q345及以上級別的構(gòu)件采用4.8級螺栓。

表1 鋼材和螺栓的孔壁承壓設(shè)計(jì)值

一般來講，輸電塔螺栓設(shè)計(jì)時(shí)，控制連接螺栓數(shù)量的因素有2個：孔壁擠壓和螺栓剪切。當(dāng)桿件強(qiáng)度較高而螺栓材質(zhì)級別較低時(shí)，螺栓個數(shù)主要受螺栓的剪切強(qiáng)度控制；反之，受桿件的孔壁擠壓控制。

根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》，在螺栓受剪的連接中，每個螺栓的承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)取承剪和承壓承載力設(shè)計(jì)值中的較小者[1]：

承剪承載力:

(1)

承壓承載力：

(2)

(3)

根據(jù)式(3)可計(jì)算出不同材質(zhì)構(gòu)件在單剪和雙剪連接時(shí)的臨界厚度值。表2為不同桿件材質(zhì)、螺栓規(guī)格對應(yīng)的臨界厚度值。

表2 構(gòu)件的臨界厚度值 mm

4 螺栓設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1)對于110 kV～500 kV輸電塔而言，輔助材的壁厚大多數(shù)都小于8 mm，螺栓連接由構(gòu)件的承壓承載力控制。在實(shí)際計(jì)算中，有些構(gòu)件每端需要2個6.8級螺栓，連接節(jié)點(diǎn)需增加節(jié)點(diǎn)板才能滿足構(gòu)造要求，這樣就造成節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，安裝工作量增加；對于橫隔面，增加節(jié)點(diǎn)板還會產(chǎn)生“下凹”的情況，大大降低橫隔面的平面內(nèi)剛度。此時(shí)，可以適當(dāng)增加構(gòu)件的厚度來減少螺栓的數(shù)目。經(jīng)計(jì)算，加大構(gòu)件規(guī)格增加的材料量與節(jié)點(diǎn)板的材料量相當(dāng)。這樣可以明顯改善輸電塔的構(gòu)造布置，增加構(gòu)件的安全裕度。

2)DL/T 5442-2010輸電線路鐵塔制圖和構(gòu)造規(guī)定[2](以下簡稱“構(gòu)造規(guī)定”)中規(guī)定，L140及以上規(guī)格的角鋼宜采用雙包連接(內(nèi)包角鋼及外貼板)，內(nèi)包角鋼及外貼板的材質(zhì)與被包的主角鋼材質(zhì)一致，并給出了規(guī)格L128×8～L250×35角鋼推薦內(nèi)包角鋼及外貼板應(yīng)用的最小規(guī)格。目前，我國大多數(shù)電力設(shè)計(jì)院都采用東北電力設(shè)計(jì)院開發(fā)的自立式鐵塔內(nèi)力分析軟件(簡稱“MYL軟件”)進(jìn)行鐵塔設(shè)計(jì)和校驗(yàn)。該軟件在計(jì)算主材雙包連接時(shí)，螺栓

個數(shù)是按單剪計(jì)算得到的。有時(shí)，設(shè)計(jì)人員會直接按軟件計(jì)算螺栓數(shù)目的一半并取偶數(shù)后作為雙剪連接螺栓的個數(shù)，其實(shí)這樣做是不安全的。當(dāng)主材角鋼的壁厚大于表2中的臨界值時(shí)，螺栓連接由螺栓的承剪承載力控制，此時(shí)按軟件計(jì)算螺栓數(shù)目的一半并留有一定的裕度即可滿足要求；當(dāng)主材角鋼的壁厚小于表2中的臨界值時(shí)，螺栓連接由角鋼的承壓承載力控制，如果仍然按照上述方法設(shè)計(jì)則偏于不安全，此時(shí)可按式(4)計(jì)算同時(shí)考慮螺栓雙剪和桿件承壓所需最少螺栓個數(shù)。

(4)

式中：m1——軟件按單剪計(jì)算出的螺栓個數(shù)；m2——同時(shí)考慮螺栓雙剪和桿件承壓所需最少螺栓個數(shù)。

3)螺栓連接設(shè)計(jì)時(shí)，原則上在滿足受力和構(gòu)造要求的前提下，盡量選擇直徑小或材質(zhì)等級低的螺栓，可提高連接節(jié)點(diǎn)的安全可靠性。

4)當(dāng)螺栓數(shù)量較多時(shí)，節(jié)點(diǎn)板尺寸很大，容易與附近其他連接節(jié)點(diǎn)位置沖突，而且螺栓的受力很不均勻，兩端大而中間小，端部螺栓會因受力過大而首先破壞?！都夹g(shù)規(guī)定》中規(guī)定，當(dāng)螺栓連接沿軸向受力方向的連接長度大于15d0(d0為孔徑)時(shí)，螺栓的承載力應(yīng)按要求進(jìn)行折減。以單排M20螺栓為例，當(dāng)螺栓個數(shù)達(dá)到6個時(shí)，螺栓的強(qiáng)度需折減。因此，對于受力較大的桿件，可采用8.8級高強(qiáng)螺栓代替6.8級普通螺栓。根據(jù)對比分析，對于材質(zhì)為Q345或Q420的角鋼，當(dāng)規(guī)格小于L160時(shí)，采用6.8級M20螺栓較合適；當(dāng)規(guī)格達(dá)到L160時(shí)，采用8.8級M24螺栓則較為合理。這在一定程度上可以降低塔身風(fēng)荷載、節(jié)約連接節(jié)點(diǎn)耗鋼量和螺栓用量。

5 結(jié)語

1)就孔壁承壓而言，當(dāng)采用6.8級和8.8級螺栓時(shí)，無論對何種級別的角鋼，均由桿件控制，可不校核螺桿承壓強(qiáng)度。

2)對于橫隔面等部位的輔助材連接，可適當(dāng)增加構(gòu)件的厚度來減少螺栓的數(shù)目。

3)可結(jié)合構(gòu)件的臨界厚度確定螺栓連接個數(shù)的控制因素。

4)對于材質(zhì)為Q345或Q420的角鋼，當(dāng)規(guī)格小于L160時(shí)，采用6.8級M20螺栓較合理；當(dāng)規(guī)格達(dá)到L160時(shí)，采用8.8級M24螺栓則較為合理。

[1] DL/T 5154-2012，架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] DL/T 5442-2010，輸電線路鐵塔制圖和構(gòu)造規(guī)定[S].

[3] 陳紹蕃，顧 強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)(上冊，鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ))[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4] 譚青海.高強(qiáng)度螺栓在輸電鐵塔上的應(yīng)用[J].中國電力，2007(5)：39-42.

On the design of the transmission tower bolted

WANG Li XIAO Jun-jun*

(AnhuiHuadianEngineeringConsulting&DesignCo.,Ltd,Hefei230000,China)

Stress state of the connecting bolts on transmission towers and collapse modes that may come up are analyzed, by studying the effects on the number of bolt made by hole wall extrusion and bolt shear, a method using critical thickness to determine the controlling factors of the bolt is proposed, some considerations and recommendations about 110 kV～ 500 kV transmission line angle steel tower bolt design are also summarrised.

transmission towers， connecting bolts， hole wall extrusion， bolt shear， critical thickness

1009-6825(2014)22-0138-02

2014-05-16

王 力(1981- ),男,工程師； 肖俊俊(1985- ),男,工程師

TU852

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