关于铁塔腹杆的抗弯作用和制造精度分析

叶德生（中国电建成都铁塔厂，四川成都610000）

关于铁塔腹杆的抗弯作用和制造精度分析

叶德生（中国电建成都铁塔厂，四川成都610000）

本文主要论述了铁塔腹杆抗弯作用与螺栓间隙及制造精度的关系。铁塔在使用螺栓进行连接时，螺孔之间的间隙直接影响腹杆的抗弯作用，通常情况下，1～1.5mm的螺孔间隙可以使大约5%的腹杆失去抗弯能力。本文提出采用比较先进的设备来提高铁塔的制造精度，主要为铁塔数控自动化生产设备，这样可以保持94%的腹杆具有抗弯能力，从而对铁塔设计理念进行了创新，保证腹杆能够有效参与到铁塔抗弯作用上来。

铁塔；腹杆；抗弯；制造精度

引言

无论铁塔进行分散建造还是集中建造，从制造厂到建塔地一般具有很长的路途，并且在这个过程中地域复杂，经常要经过人迹罕至的地方，翻山越岭，所以，这种状况直接决定了铁塔必须采取集约化的包装方式，在建造塔的现场进行组塔。所以，只有采取螺栓连接的方法，并把螺栓和螺孔的配合精度进行降低处理，来增大它们之间的配合间隙，从而把很多主材、连接板和腹杆有效的连接在一起，在一定程度上提供了方便性。根据国家有关标准，螺孔的直径要比螺栓的直径大约1.5mm，这个标准保证了铁塔的安装工作顺利开展进行，但是从另外一方面讲，也对腹杆抗弯能力起到了一定阻碍作用。针对铁塔顶部位移量，由于螺栓孔间隙引起的位移量可以达到50%，如果铁塔比较高，可以增加10%，因此，铁塔刚度很容易受到铁塔腹杆制造精度影响。

1 铁塔抗弯机理分析

在铁塔机理算法中，有的算法把铁塔比喻成“格构式缀条柱”，在这种模式中，格构式缀条柱代表铁塔，缀条代表腹杆，肢件代表主材，按照铁塔由腹杆和主材连缀而成的模式构成。其中，缀条主要是为了保证肢件之间的连接工作，并不起到一定的承载作用。然而，铁塔和格构式缀条柱并不能等同处理，实际情况下，如果没有腹杆支持铁塔，主材不但没有承载能力，在这种情况下根本就立不住。腹杆主要起到了三个作用：①保证四个主材连接在一起，从而保证其承载能力；②可以使供货程度在4m以上的主材分段处理，从而降低了主材的抗压稳定性，使其长度缩短，在一定程度上提高了抗压稳定性；③由于很多主材之间连接使用腹杆进行斜向连接，使得固定成形，很难移动，从而使铁塔在一定程度上可以承受更多的电线张力和风载荷。

另外，由于受到格构式缀条柱计算方式的作用，在进行铁塔计算过程中忽略了腹杆的抗弯作用，所以必须保证腹杆的质量要比主材的质量好，一般是它的两倍。所以，必须对铁塔的抗弯机理进行明确，从而保证更多的腹杆发挥其作用。

根据相关标准，最大风情况一般控制整个塔身主材，断边导线情况一般控制塔身斜材状况，另外，根据角度风吹状况下风载荷分配表的分配情况，塔线风载处于90°时，风载荷处于最大情况。

图1 塔体受弯情况变形图

如图1所示，为塔体受弯变形图，此时为断线张力状态或者90°风状态作用铁塔。从图中可以看出，在塔体受弯之前，四支主材的位置由四条竖直粗实线代替，四条腹杆的位置由四条斜粗线代替，主材和腹杆受弯以后的位置由双点划线代替，主材节长由上下两层间的虚线间距代替。根据国家相关标准，如果载荷处于长期效应组合状态下，对于直线型自立式铁塔，在计算杆塔挠曲度时，每米不应该大于3mm，另外根据结构力学，主材和腹杆的夹角应该在40～70°之间，因此，如果主材为1.5m长，由于受到断线张力弯曲和风载影响，上下点挠曲度为4.5mm。另外，铁塔和地面的夹角设为3～4°，和地面接近垂直状况，铁塔节长为1.5m，则上下点变形为4.5mm，另外，对于主材，其前后夹角不大于10°，所以，对于变形量为4.5mm，可以看成处于水平位置。

对于腹杆，通常情况下以40～70°的倾斜度固定在两个主材之间的空隙上，并使用螺栓固定，所以，通过顺风腹杆产生的拉伸量和逆风腹杆产生的压缩量再乘以夹角余弦，得出腹杆和水平面之间的夹角余弦得出夹角为24～54°。根据相关标准，螺孔直径一般比螺栓直径大1.5mm，如果铁塔装好以后，几乎所有的腹杆和主材连接以后，其螺孔间隙和螺孔螺栓的直径差相同，所以，在计算腹杆的拉伸压缩量时，应该被螺孔之间的间隙抵消1.5mm，从而计算出实际压缩量。

根据力学相关知识，由于外力使构件产生变形，变形以后，构件产生相应应力，这种应力使得构件进一步对外力产生抵抗作用。根据这一原理，腹杆由于受到拉压产生变形，从而产生抗力，这样来抵抗主材的弯曲变形，这样就可以和主材同时产生抗弯作用。根据虎克规律可以计算得到腹杆抗弯力的大小，需要特别指出的是：处于断线张力和垂直状态下的两扇塔面腹杆不具备抗弯能力。由于主材受弯变形以后，其具有正切关系，腹杆形成的正二面角为10°，变形以后，腹杆的长度基本没有变化，然后再使用螺孔间隙抵消腹杆变形产生的不利因素，即使腹杆有部分变形，也会被全部抵消掉，所以，处于塔垂直方向的两扇塔面腹杆都不具备抗弯能力。

2 腹杆抗弯概率计算

通常情况下，腹杆两端的螺孔主要是通过螺栓连接在两支主材上。另外，由于腹杆上螺孔之间的间距和主材上的螺孔间距都具有随机性，所以，螺孔和螺栓之间的间隙大小以及相对位置也具备一定的随机性。铁杆腹塔一般采取下方托举的方式进行安装，但是由于其构件制造精度比较低，毛面配合和加工以及在运输过程中很容易产生磕碰现象等，所以在建塔的时候，很容易出现腹杆螺孔中心距和主材螺孔中心距差距比较大的状况，在这种状况下，很容易出现极端状况，这样，主材上腹杆的其它安装状态处于这两种极端状态之间。

根据要求，腹杆两端螺孔中心距应该大于主材螺孔中心距，并程轴向压举式进行安装，对于受压杆，腹杆已经通过主材上的螺栓进行轴向顶紧安装，所以，其螺孔之间的间距几乎为零。对于受拉杆，主材上的螺孔必须沿着腹杆进行轴向拉伸，并消除间距影响。另外，根据相关标准，如果螺孔总间隙比较大，就会全部抵消由于铁塔挠曲度产生的腹杆杆向拉压变形误差，从而导致腹杆不能产生变形，就不能产生由于变形产生的抗弯能力。所以，为了能够正确的评估整个腹杆抗弯能力，必须对不能产生抗弯能力腹杆进行相应概率计算。主材上四个间隙分别使用Q、R、S、T代表，其计算公式如下：

P（Q、R、S、T）=P（Q）·P（R）·P（S）·P（T）

由于螺孔两侧的弧段非常陡，所以进行腹杆安装时，只要能够离开轴向拉举和轴向压举两种状态，就可以安装成下方托举状态。

3 结语

（1）由于铁塔腹杆的抗弯能力来自铁塔，如果铁塔受弯以后，主材就会对腹杆轴向产生拉压力，这个力是腹杆对主材进行斜支撑，从而抵抗主材弯曲的一种反作用力。

（2）主材受力以后，对腹杆前段产生作用力，必须对螺孔的间隙进行消除处理，如果螺孔的间隙过大，主材并不能使腹杆受力时，腹杆就不能参与主材的抗弯作用。所以，整个铁塔制造精度会对整个腹杆抗弯作用产生直接影响。必须根据相关知识进行概率计算。

（3）对铁塔进行创新理念设计，从而可以使更多腹杆发挥抗弯作用，从而提高铁塔抗弯力。根据相关知识，可以使用正四棱台形式的塔体进行安装，这种塔体可以对风载荷断线张力产生很大抵抗作用，从而提高了铁塔抵抗外力产生弯矩能力。

（4）在进行铁塔设计时，应该明确主材腹杆连接时螺孔间隙对铁塔的抗弯能力的影响，尽量减少螺孔之间的间隙，另外，在铁塔进行制造时候，应该提高其工艺装备，使用比较先进设备和设施，并合理提高铁塔在制造过程精度，减少铁塔连接时螺孔之间间隙，从而保证腹杆能够有效发挥抗弯能力。所以，可以使用钻孔钻模方法并进行精细加工，保证螺孔之间间隙，并采用铁塔数控自动化生产设备。

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TM753

A

2095-2066（2016）35-0104-02

2016-12-2

叶德生（1982-），男，工程师，硕士研究生，主要从事铁塔设计、放样及制造等工作。