山地输电塔模型设计与制作方法初探

2020-11-25李秀李浩李鹏陈俭勇

建材发展导向 2020年22期

李秀李浩李鹏陈俭勇

（武汉职业技术学院，湖北武汉 430074）

1 赛题背景和概述

第七届湖北省大学生结构设计竞赛赛题为 “山地输电塔模型”，以近年来能源开发的技术进步和广泛应用为背景，立足于结构设计极限状态（承载力极限状态和正常使用极限状态）基本概念，进行刚柔并济的结构设计理念，激发大学生创新能力、动手能力、思维能力等多种综合能力的培养。

2 模型材料和工具

山地输电塔模型包括加载台和底座、模型主体及两个低挂点和一个高挂点主体等几大部分，模型结构形式由参赛队员自行设计，满足赛题给定条件尺寸要求即可。在规定时间内手工完成模型制作，结构给定材料有：502胶水、砂纸、切割刀、直尺、三角尺、量角器、铅笔、橡皮擦、镊子、橡胶手套等等。允许使用砂纸打磨杆件端部以获得所需要的杄件精确尺寸，打磨杄件节点处接触面以增加接触，但是打磨时需谨慎打磨以免露出竹皮丝状物。

3 模型设计与制作

1）选型与设计。建筑物的结构体系不仅决定了荷载的传递方向，而且是决定建筑物安全性和经济性非常重要的因素。本次模型采用变截面、格构式结构体系。格构式截面具有承载力大，稳定性好、质量轻、抗风性能优良等优点；变截面的设计使得结构具有较好的抗扭刚度，本次设计任务的主要荷载工况表现为较大的扭转效应。

本模型设计方案借鉴和参考高压输电塔真实的实物设计方案。在众多铁塔的类型中，按其形状一般分为：酒杯型、猫头型、上字型、干字型和桶型五种，按用途分有：耐张塔、直线塔、转角塔、“A”型换位塔、（更换导线相位位置塔）、终端塔和跨越塔等。根据竞赛任务书的要求和加载工况，我们选择较为简易的类 “A”型构造作为本次模型设计的参考方案。本模型设计方案借鉴和参考高压输电塔真实的实物设计方案，选择类 “A”型构造的理由是：1）能满足荷载工况的高挂点、低挂点的基本要求，构造比较简易。2）手工制作时间限制，在16个小时内完成模型的制作。3）质量较轻，构件的数量比较少，总质量易于控制。

本设计塔头部分采用四棱锥的空间结构形式，顶点设为高挂点和水平侧向力的加载位置。基于结构几何组成分析，每个面采用三角形组成满足几何稳定性要求。在锥型节点的连接处理上采用截面削切严密对接，辅以竹粉粘结牢固.在低挂点的选型中，我们采用悬挑桁架的的形式，外伸长度约33cm。在横担结构中，上弦杆主要受到拉力作用，所以在节点处理上需要加强，截面形式采用方形杆，质量较轻。下弦杆在荷载作用下主要受压力作用，采用多层圆杆截面形式，中间辅以短支撑，以保证受压不发生失稳破坏。

塔身部位采用交叉斜腹杆作为主要结构形式，四面空间做法一样。经过试验验证交叉斜腹杆的抗扭性能比较好，但是在试验加载的现实表现中可以明显看出：不同方向的斜腹杆受力不同，根据水平力偶产生扭矩的方向不同，得出一杆受拉，一杆受压。受压杆件受到压力很大，易被压屈破坏，受拉杆件一般拉力较小乃至去掉拉杆对结构的承载和变形都没有太大影响。基于此，在拉杆采用纸皮拉结构造，对压杆进行加强采用较大尺寸或者较厚壁厚的措施以防止压杆施压失稳破坏。

塔脚采用 “K”型空间加强型节点构造，在参考真实的高压输电塔的结构选型，发现大部分的塔脚都采用 “K”型节点，因此本次模型采用此种结构形式作为塔脚构造。通过试验发现，“K”型节点的受力比较好，在抗扭和双向抗弯的荷载作用下表现比较好。因此本次在 “K”型节点的基础上再进行空间支撑加强以保证塔脚的安全性。

在平面布置中，考虑到实际的荷载工况，结构收到的扭转作用非常强烈，通过仿真模拟发现四边形（方形）平面的抗扭刚度比较大，抗弯刚度也比较大，因此模型实际采用四边形的截面形式，底部的边长尺寸为207mm。

杆件的截面形式常见的有矩形、圆形、三角形等形状。为得到更大的抗弯刚度，截面一般很少做成空心，因为刚度不够，容易折断。一般都是在在杄件内部加肋，里面可整体加肋也可以分段加肋，分段加肋在考虑刚度的基础上，减少模型整体自重，以提高整体稳定性。矩形截面中间空心大，受偏心力时易失稳。

2）缝隙填塞为了尽可能减轻模型的质量，节点缝隙较大处是用带纤维的竹皮连接，若是较小的缝隙采用竹皮磨成细粉进行连接，然后适当的滴上少量的胶水即可。

3）节点加强处理模型节点处受力复杂，是整个结构模型中的薄弱环节，因此在结构设计与制作时还应综合考虑各方面因素来选择适合的方法加强节点连接。提高模型节点处承载能力的常用方法有：贴薄片法、加楔法、交错粘贴法、拉竹条法叫和裹丝状竹材法。

4 模型制作常见问题

①杆件长细比过大易破坏。在做主杆件时，采用分段杆件解决失稳问题，以提高主体模型的刚度和稳定性。②模型易发生扭矩破坏。用 “拉竹条发”分散模型扭矩方向的受到集中荷载作用，在主体模型里加斜撑也能抵抗扭矩。③模型塔脚易失稳破坏。“K”型节点的受力比较好，在抗扭和双向抗弯的荷载作用下表现比较好。因此在 “K”型节点的基础上再进行空间支撑加强以保证塔脚的安全性。④ 柱脚与底板连接处易脱离。防止柱脚与底板脱离导致结构整体出现倾覆破坏，在节点实际处理中采用增大接触面积，使用多层较大面积的竹片与柱脚相连，并辅以竹粉以及单层薄纸片粘接加固以防松脱，最后安装螺钉即可。