输电铁塔辅助材承载能力分析及设计研究

徐徐

摘要：世界上各个国家因实际情况不同，对于输电铁塔辅助支撑材料的设计差异较大。通过对中国、美国、欧洲以及印度相关规范进行梳理，将研究结果与铁塔真型试验实测的数据以及有限元数值模拟分析的数据进行相关的比较和分析，提出符合中国的输电铁塔辅助材料的建议公式，并且在经过模型验证以及经济性分析后满足工程设计的要求，以此作为相关规范修编的一个参考。

关键词：输电铁塔；辅助材；真型试验；支撑力

在输电线路的铁塔设计中，辅助材料的作用主要是减小受力支撑，提高承载能力，在铁塔有限元建模分析中，一般并不参与受力的分析，其自身所受的负荷，以及自身的重量，在辅助材料中，大可忽略不计，进行图纸设计，要根据规范要求进行受力分析和选择材料，随着电压等级的提高，铁塔尺寸和规模也随之越来越大，辅助材在铁塔中所占的比例也逐步提高，特别是特高压山地长短腿角钢塔辅助材设计在整个铁塔的工作量占到一半以上，而国内相关技术规定中只简单的要求辅助才支撑力按照相应的固定百分比进行设计，与美国、欧洲的规范，设计原则相比要求相对简单，没有与所支撑钢件的实际长细比等关联，当长细比比较大的时候，这些主材存在支撑力不足的缺陷，容易导致风险。目前，国内，在多种输电铁塔领域，研究，已经有了部分成果，研究人员对于铁塔辅助才合理的计算方式也进行了一定研究，但与国外相关规范相比缺乏合理的推荐公式，本文就通过对多种输电铁塔进行对比分析和实际计算，提出在铁塔辅助材料选材的相关建议，为国内相应规范的制定提供参考。

1.相关规范对辅助材设计的要求及对比分析

各国规范中对辅助材都规定按照被支撑主材轴力的一定百分比进行设计，但由于各国实际情况有所不同，在具体的取值范围上也存在较大的差异。中国《钢结构设计规范》，和印度的相关规范IS802，只是简单地给出了一个固定的百分比，并没有实际考虑到被支撑主材个别特性，而美国和欧洲的相关规范则依据被支撑主材的特性即材料的长细比进行计算确定，当这一比例较大时则材料所需要的支撑力也就越大，但没有明确主材料和鞋材料支撑的区别。

一般在具体应用中要计算辅助才支撑百分比，也就是辅助材支撑力在主材支撑力的中所占的百分比，它的取值范围一般分为两类，当辅助材支撑的百分比大于一定范围之后，其规定辅助材支撑力百分比不随长细比的变化而变化，当辅助材支撑百分比过小时，则会出现不稳定、不安全现象，这一数据中印度的规范相比其他规范来说规定的比较保守，经对比分析可知，中国与美国以及欧洲的规范支撑力的百分比曲线长细比在90左右存在交叉。

通过对比分析，可以发现，各国规范对于辅助才支撑力的百分比取值范围存在差别较大，美国和欧洲的规范中规定，当主材料的长细比大于一定值后，其长细比于辅助才支撑力的百分比，呈正相关的发展趋势，这两种材料的辅助支撑力百分比大体相同，而我国和印度材料支撑力百分比为特定值时，其不随长细比的变化而变化，会获得相应的材料百分比组材料长细比的对应关系，笔者通过真形和数据模拟方式展开了进一步研究。

2.典型辅助材布置方式试验对比分析

为进一步验证过规范所规定的辅助才受力取值范围是否合理，现找出国内多个输电线路工程试验的数据，进行分析，将数据结果与各国规范财，支撑力的百分比取值进行比较，验证该比例是否合理以及规范取值的准确性。

通过对上述试验数据以及相关铁塔设计的经验可知，一般电力铁塔在主裁长细比设计时均在60以下，但各国规范中规定的主材长细比最高可达150，为适应各国规范对主材长细比的规定范围，需进一步扩大数据来源，增加数据个数，为规范公式提供实践依据。

3.辅助材支撑力有限元数值模拟分析方法

受实际环境的制约，铁塔真型试验的数据不可能全部搜集，真型数据的有限性，就是得实验数据覆盖的允许主材长细比的范围较小，因此为进一步增加辅助材质长细百分比的范围，采取有限元模拟的方法，以提取相关数据进行分析，对于试验的数据进行补充。

3.1验证有限元模拟数据的正确性

借助有限元分析软件进行数据的建模分析，并结合铁塔实际受力的特点，以及计算进行设计的相应原则，铁塔组材料采取梁单元进行模型分析，其他辅助材使用相应的单元进行建模，截面则按实际截面进行建模，通过建模分析可建筑材料和鞋材在支撑位置应力值发生变化，在有限元数据模型中，铁塔的构件都起到了相应的支撑作用。

3.2应用有限元数值模拟研究辅助才支撑力

在有限元数据模型中，通过对各结构和尺寸的规格调整，进一步增加了长细比数值的取值范围以及辅助才支撑力百分比的数值，为辅助材支撑力百分比计算提供更多、更可靠的依据。

通过对有限元数据分析计算得到的结论如下：在长细比大于60的数据范围中，欧洲和美国的规范百分比取值与实验数据的辅助才支撑比值相近，而我国和印度的规范则不能体现变化规律，辅助才支撑比增大的趋势，也无法随着主材长细比的增大而增大，可见美国和欧洲的规范采取的增大曲线较为合理，但仍有相当数量的数据超出曲线取值范围。

3.3对于辅助材支撑力百分比公式的修正

通过对上述分析，可得而知，铁塔结构主材的长期比一般在20到60之间，而且在此范围内辅助支撑材料，会随着长期变化而变化，但变化并不明显。当主材料长细比超过额定范围逐渐增大时，辅助材料支撐的百分比也会随着长细比而变化，这种变化比较显著。此公式应根据上述规律而进行修改，以提高工程的适用性，满足工程建设的需要。

3.4推荐公式经济性分析

为验证本文所推荐的辅助材质称百分比计算公式是否具有经济性，在选取具有代表性的塔身模型进行试验，可对材料进行对比，比较所选材料的钢材量，为提高结果的可靠性，选取的材料数量较多。当对比分析后可发现，虽然长期比大于45后，推荐公司的百分比取值较高，但大部分塔身的长细比小于45，推荐公式可使用材料可降低规格。

4.结论

通过对各规范辅助才支撑力百分比进行分析可以发现，中国的规范和其他典型国家和地区规范取值方式存在较大差异，差异体现在与长细比的关系上，当长细比大于定值时，美国和欧洲的规范中长细比呈正相关，且比例大体相同，但中国规范材料支撑的百分比为定值时，并不随着长细比的增大而发生变化，通过实验分析和有限元数据模型可得计算公式。通过塔身辅助材经济性研究， 可知经修正的推荐公式可明显降低辅助材重量。

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