鋼管構(gòu)架柱柱腳螺栓設(shè)計

叢培瑞，劉建秋，蓋 超（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

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鋼管構(gòu)架柱柱腳螺栓設(shè)計

叢培瑞，劉建秋，蓋 超
（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

摘要：變電站鋼管構(gòu)架柱柱腳采用螺栓連接時，通常設(shè)計為圓形外露式剛接柱腳。構(gòu)架柱腳受力復(fù)雜，不僅有壓、彎、剪，還有拉、彎、剪；柱腳連接型式多樣，有法蘭連接、架空連接、地腳螺栓連接。因此，連接螺栓的設(shè)計計算與一般型鋼柱有所不同。依據(jù)國家規(guī)范和理論計算方法，推導(dǎo)出各種連接方式的鋼管構(gòu)架柱腳螺栓設(shè)計公式，可供設(shè)計人員使用；利用excel和matlab計算工具，驗算三種連接方式的螺栓內(nèi)力并進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對比分析。建議在高度高、跨度大、承受荷載大、重要性等級高的特高壓工程中，可優(yōu)先選用技術(shù)性能好的法蘭連接；在普通變電工程中，應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)性好的地腳螺栓連接。

關(guān)鍵詞：變電站；鋼管構(gòu)架柱；柱腳；螺栓。

國內(nèi)變電站中500 kV及以下電壓等級構(gòu)架多為鋼管人字柱結(jié)構(gòu)，750 kV、1000 kV構(gòu)架多為鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，也有個別（浙中1000 kV變電站）采用鋼管人字柱結(jié)構(gòu)。柱腳節(jié)點多為杯口插入式，文獻(xiàn)［1］指出，為減少現(xiàn)場安裝的周期，構(gòu)架與基礎(chǔ)的連接可以采用螺栓連接，但文中并未給出柱腳螺栓內(nèi)力計算方法。

構(gòu)架柱腳受力復(fù)雜，連接型式多樣，工程設(shè)計中如何計算螺栓內(nèi)力，如何選擇連接型式，需要進(jìn)行專門研究。

1 柱腳連接型式

柱腳連接型式可分為3種：①基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋鋼管短柱，短柱與構(gòu)架柱采用法蘭連接，此種連接方式簡稱為法蘭連接，在浙中1000 kV變電站采用；②基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋地腳螺栓，柱腳底板不與基礎(chǔ)頂面接觸，而是采用調(diào)節(jié)螺母架空，此種連接方式簡稱為架空連接，在文獻(xiàn)［1］中有描述；③基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋地腳螺栓，柱腳底板與基礎(chǔ)頂面之間使用細(xì)石混凝土充填密實，此種連接方式簡稱為地腳螺栓連接，在國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部地區(qū)變電站大量采用。柱腳連接3種型式見圖1～圖3。

圖1 法蘭連接

圖2 架空連接

圖3 地腳螺栓連接

2 柱腳螺栓計算方法

2.1 法蘭連接——按剛性法蘭盤計算

目前我國相關(guān)的規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對剛性法蘭盤計算，都借鑒了普通螺栓群受彎的計算方法，按傳統(tǒng)的三角形分布法計算，螺栓拉力呈線性分布，圓形法蘭螺栓受力示意圖見圖4。

圖4 圓形法蘭螺栓受力示意圖

（1）螺栓全部受拉時，繞通過螺栓群形心的旋轉(zhuǎn)軸①轉(zhuǎn)動，按下式計算：

式中：Nbmax為距旋轉(zhuǎn)軸yn處的螺栓拉力；M為柱腳承受的彎矩；N為柱腳承受的拉（壓）力，拉力為正，壓力為負(fù)；n0為該法蘭盤上螺栓總數(shù)。

（2）當(dāng)按式（1）計算任一螺栓拉力出現(xiàn)負(fù)值時，螺栓群并非全部受拉，而繞旋轉(zhuǎn)軸②轉(zhuǎn)動，按下式計算：

式中：e為旋轉(zhuǎn)軸①與旋轉(zhuǎn)軸②之間的距離。

剛性法蘭受壓側(cè)壓力由法蘭盤承載，對于連接螺栓，僅驗算螺栓受拉承載力即可。

式中：Nbt為螺栓抗拉承載力。

2.2 架空連接——按力學(xué)平衡條件計算

構(gòu)架柱底板上下均有螺帽，底部架空，壓應(yīng)力傳至地腳螺栓，全部荷載由螺栓承受，不考慮混凝土受壓。計算模型見圖5、圖6。

柱腳受彎時，

柱腳受拉（壓）時，

二者合力為：

式中：Nb 'max為距旋轉(zhuǎn)軸yn處的螺栓拉（壓）力。

由于法蘭盤懸空，地腳螺栓受壓也必須滿足要求：

式中：Nb 't為螺栓抗拉（壓）承載力。文獻(xiàn)［3］中僅有螺栓的抗拉強度設(shè)計值，參照文獻(xiàn)中鋼材抗拉和抗壓強度設(shè)計值一致，取螺栓的抗壓強度設(shè)計值同抗拉設(shè)計值。

2.3 地腳螺栓連接

圖5 柱腳受彎時螺栓受力示意圖

圖6 柱腳受壓（拉）時螺栓受力示意圖

分別按拉彎、壓彎工況計算。

文獻(xiàn)［4～5］總結(jié)了國內(nèi)外地腳螺栓拉力的計算方法，包括國內(nèi)、德國、蘇聯(lián)、英國等，文中主要針對壓彎受力進(jìn)行計算，架構(gòu)柱腳除壓彎外還有拉彎，下文分別分析。

2.3.1 壓彎工況

文獻(xiàn)［4～5］中計算理論，我國主要采用的方法有：①設(shè)計手冊中采用的方法（地腳螺栓直徑d徑螺栓mm），同時不允許地腳螺栓抗剪；②梁比擬法（地腳螺栓直徑d＞60mm時采用），該方法也不允許地腳螺栓抗剪。

構(gòu)架柱腳通常設(shè)計為圓形法蘭盤，可以通過增加螺栓數(shù)目的方法來限制螺栓直徑≤方法來限，并且變電站工程中也未見有采用大直徑的地腳螺栓。因此，本文按簡化計算方法計算。計算簡圖見圖7。

圖7 地腳螺栓連接壓彎工況受力示意圖

式中：fc、βl分別為基礎(chǔ)混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值和局部承壓時的提高系數(shù)。

σmin＜0時，螺栓不承受拉應(yīng)力，計算結(jié)束。否則，按下文繼續(xù)計算。

混凝土受壓區(qū)長度：

式中：dp為圓形底板的直徑。

積分求得受壓區(qū)混凝土合力作用點距法蘭盤邊緣距離為：

設(shè)，

則，

由于混凝土抗拉承載能力很低，拉力由地腳螺栓承擔(dān)，設(shè)Z為各受拉地腳螺栓的合力，

作用點距O的距離為：

簡化計算方法忽略了地腳螺栓位置與受拉應(yīng)力三角形圖形重心不一致的事實，認(rèn)為拉力由地腳螺栓承擔(dān)后，a值不變，對P點取矩，

受壓側(cè)壓力由混凝土承載，對于螺栓，僅驗算螺栓受拉承載力即可。

2.3.2 拉彎工況

對于拉彎工況，底板下混凝土不出現(xiàn)壓應(yīng)力或全部螺栓均承受拉應(yīng)力為小偏心受拉，否則為大偏心受拉柱腳節(jié)點。即小偏心受拉前提條件為或σmax＜0。

（1） 小偏心受拉

（2） 大偏心受拉

大偏心受拉時，部分螺栓受拉，與壓彎柱腳類似，可參照壓彎柱腳進(jìn)行計算。

σmax＜0時，為小偏心受拉。

3 構(gòu)架柱腳螺栓計算結(jié)果及對比分析

某1000 kV變電站柱腳采用螺栓連接，為減少螺栓直徑，在滿足安裝要求下，盡可能多地布置螺栓。

我國規(guī)范規(guī)定，地腳螺栓不能參與抗剪，水平反力應(yīng)由底板與混凝土間的摩擦力（摩擦系數(shù)可取0.4）或設(shè)置抗剪鍵承受。因此，本文不考慮螺栓抗剪，水平剪力由摩擦力或者抗剪鍵承受。

3.1 技術(shù)比較

為充分對比各工況下螺栓最大拉（壓）力的區(qū)別，取柱腳軸力N為-4000～4000 kN，柱腳彎矩M為0 kN?m～1400 kN?m，編制excel計算程序，使用matlab求解定積分，不同M、N組合計算螺栓拉力，計算結(jié)果見圖8～10。

表1 臨界區(qū)域拉彎大偏心和小偏心螺栓拉力差別（ kN）

二者計算結(jié)果相差約7%～8%，可以滿足工程設(shè)計要求，本文偏安全起見，重合部分取二者較大值。

圖8 法蘭連接計算結(jié)果

圖9 架空連接計算結(jié)果

圖10 地腳螺栓連接計算結(jié)果

圖8～圖10顯示，在軸壓工況（M=0 kN?m，N＜ 0 kN）下，法蘭連接和地腳螺栓連接柱腳螺栓受力為0，架空連接隨著軸力N增大，柱腳螺栓受力增大；在 壓 彎 工 況（M＞0 kN?m，N＜0 kN）下，法蘭連接和地腳螺栓連接隨著軸力N增大，柱腳螺栓受力減小，直至為0，架空連接隨著軸力N增大，螺栓受力增大；在拉彎和純彎工況下（M況彎大接隨著，N＞0 kN），隨著軸力N的增大，三種連接方式柱腳螺栓受力均增大。

以上分析可知，螺栓拉力受軸力和彎矩兩個因素影響。為探討軸力和彎矩對螺栓拉力的影響，假設(shè)螺栓最大承載力為150 kN，從圖8～圖10中讀取相應(yīng)的N、M值，繪制圖11。

圖11 柱腳軸力N和彎矩M對螺栓拉力的影響

圖11中，在所有工況下，螺栓承載力一定的情況下，法蘭連接可以承受的N、M值最大（N定值，M最大；M定值，N最大）。

在拉彎工況（M＞0 kN?m，N＞0 kN）下，螺栓承載能力排序為：法蘭連接＞架空連接＞地腳螺栓連接。

在壓彎工況（M＞0 kN?m，N＜0 kN）下，螺栓承載能力排序為：法蘭連接＞地腳螺栓連接＞架空連接。

對于地腳螺栓和架空連接，在拉彎工況下，二者差別很小，在壓彎工況下，地腳螺栓連接遠(yuǎn)優(yōu)于架空連接。由于構(gòu)架自重的影響，各工況下柱腳壓力大于拉力，因此，螺栓承載能力綜合排序為：法蘭連接＞地腳螺栓連接＞架空連接。

3.2 經(jīng)濟(jì)比較

取有代表性的工況組合下的構(gòu)架支座反力列入表2。

表2 各工況組合下的支座反力

按法蘭連接采用8.8級普通螺栓，架空連接和地腳螺栓連接采用Q345B級錨栓，計算柱腳螺栓規(guī)格見表3。

表3 柱腳螺栓計算結(jié)果

三種連接方式的柱腳和法蘭連接的鋼管埋入深度、混凝土強度（保證螺栓破壞先于混凝土壓碎）按文獻(xiàn)［1］進(jìn)行設(shè)計計算，結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 地腳螺栓和架空連接錨栓（共28幅）設(shè)計圖

圖13 法蘭連接設(shè)計圖

按設(shè)計圖統(tǒng)計材料重量并向多個構(gòu)架加工廠詢價，列表4比較三種連接方式的經(jīng)濟(jì)性，表中均為單個柱腳材料重量及造價。

表4 三種連接方式經(jīng)濟(jì)比較

表4顯示，法蘭連接造價是地腳螺栓連接的179.6%，架空連接造價是地腳螺栓連接的122.5%，三種連接方式的經(jīng)濟(jì)性排序為：地腳螺栓連接＞架空連接＞法蘭連接。

3.3 適用范圍

綜合以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從技術(shù)角度看，構(gòu)架柱腳受力復(fù)雜，有拉彎剪、壓彎剪等各種工況，應(yīng)優(yōu)先采用法蘭連接；從經(jīng)濟(jì)角度看，應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)性最好的地腳螺栓連接。

因此，在高度高、跨度大、承受荷載大、重要性等級高的特高壓工程中，可優(yōu)先選用技術(shù)性能好的法蘭連接；在普通變電工程中，應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)性好的地腳螺栓連接。

4 結(jié)論

依據(jù)國家規(guī)范和理論計算方法，對鋼管構(gòu)架柱三種柱腳連接型式螺栓內(nèi)力計算公式進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)和推導(dǎo)，完善變電站鋼管構(gòu)架柱柱腳螺栓連接節(jié)點計算實用公式，可供設(shè)計人員使用。

利用excel和matlab計算工具，驗算三種連接方式的螺栓內(nèi)力并進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對比分析。建議在高度高、跨度大、承受荷載大、重要性等級高的特高壓工程中，可優(yōu)先選用技術(shù)性能好的法蘭連接；在普通變電工程中，應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)性好的地腳螺栓連接。

參考文獻(xiàn)：

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［7］ 左權(quán)勝，周鵬洋，梁意.外露式鋼結(jié)構(gòu)剛性固定柱腳設(shè)計探討［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2007，22（12）.

中圖分類號：TM75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913（2016）01-0075-06

* 收稿日期：2015-12-15

作者簡介：叢培瑞（1983-），男，山東巨野人，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事變電土建工程設(shè)計。

Design of Column Base Bolts in Steel-pipe Frame

CONG Pei-rui， LIU Jianqiu， GAI Chao
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute CORP.， LTD. Jinan 250013， China）

Abstract:When the steel-pipe frame column connects the base with bolts in substation， it is usually designed as exposed rigid column base with circular bottom. The column base is under a combination loading of pressure， bending and shearing force or tensile， bending and shearing force. The types of connection between column and base are variety， including flanged connection， overhead connection， and anchor-bolt connection. Therefore， the design and calculation of the connecting bolts in steel-pipe frame column base are different from that in the ordinary column base. The design equations are derived based on the basis of the national standard and the theory of ordinary column base； then the forces on the bolts in three different types of the column base can be got by using Excel and matlab， and they are checked and analyzed. In the UHV project， the frame are height， large span， large load and very important， flanged connection is recommended for design use.In the general project， anchor-bolt connection is recommended for design use.

Key words:substation； steel-pipe frame column； column base； bolt.