杆塔设计常用规范解读.docx
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杆塔设计常用规范解读
刖言
以杆塔为代表的各类高耸结构的设计是一项涉及基础知识广泛,技术含量很高的工作。
对于刚接触杆塔设计工作的学员,必须从最为基础的力学知识、结构设计、及现行常用规范
的解读开始打好基本功,方可成为一名优秀的设计师。
本文只用于我公司内部员工在进行结构设计培训过程中学习之用,切不可外传。
成文过程中撰稿人查阅了大量的文献资料,并仔
细分析甄别,注入大量的心血方成,希望读到此文的学员认真学习珍惜生活中的每一个学习机会。
北京信狐天诚软件科技有限公司
2009年10月21日
1常用规范简介4
《建筑结构荷载规范》GB50009-20014
《钢结构设计规范》GB50017-20034
《高耸结构设计规范》GB50135-20064
《建筑抗震设计规范》GB50011-20014
《构筑物抗震设计规范》GB50191-19934
《110~500kV架空送电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T5154-20024
《110~750kv输电线路设计技术规定》(2008最新国家电网标准)5
《DesignofLatticedSteelTransmissionStructures》ASCE10-975
2材料5
3风荷载6
4覆冰荷载7
5杆塔构造基本规定7
5.1设计原则7
5.2结构的极限状态8
5.3极限状态的计算方式8
5.4基本规定10
6杆件强度设计11
6.1轴心受力构件的强度计算:
11
6.2受弯构件计算:
11
6.3受拉同时受弯构件的强度计算12
6.4偏心受力构件强度验算12
7杆件长细比计算14
7.1构件长细比的界定14
7.2构件长细比的控制14
7.3受压构件长细比修正系数20
8受压杆件稳定计算21
8.1轴心受压构件的稳定性计算21
8.2受压同时受弯构件的局部稳定计算22
8.3偏心受力压弯构件的稳定性计算22
9钢结构构造要求24
9.1一般要求24
9.2组合构件25
9.3钢管构件26
9.4焊缝连接26
9.5螺栓连接28
10抗震设计30
11连接计算30
11.1螺栓连接30
11.2焊缝连接32
12法兰连接34
13塔脚设计34
常用规范简介
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
2002年3月1日年施行,对建筑结构设计中部分直接作用和间接作用(如地震)荷载作出规定(如:
风荷、雪荷载、屋面活荷载等)。
本荷载适用于国内一切建筑工程结构设计过程中各类典型荷载的计算。
《钢结构设计规范》GB50017-2003
2003年12月1日施行,本规范适用于工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计。
《高耸结构设计规范》GB50135-2006
2007年5月1日施行,本规范适用于钢及钢筋混凝土高耸结构,包括广播电视塔、通信塔、导航塔、输电高塔、石油化工塔、大气监测塔、烟囱、排气塔、水塔、矿井架、风力发电塔等构筑物的设计。
目前本规定除电力行业有输电杆塔专用规范应用较少外,被普遍
应用于以上其它行业的高耸建筑的结构设计。
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
2002年2月1日施行,按本规范进行抗震设计的建筑,其抗震设防目标是:
当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需修理可继续使用,当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用,当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破
坏。
《构筑物抗震设计规范》GB50191-1993
1994年6月1日施行,本规范的适用范围与《建筑抗震设计规范》类似,只是范围缩小为结构组装形成的建筑物,简称为构筑物。
《110~500kV架空送电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T
5154-2002
2002年9月1日施行,本规定适用于新建的110~500kV架空送电线路杆塔结构的设计,通信塔设计可参照采用。
《110~750kv输电线路设计技术规定》(2008最新国家电网
标准)
2008年3月1日施行,本规定考虑到2007年底我国特大雪灾,在110~500kV
架空送电线路设计技术规程》基础上结合近年特高压杆塔的设计实践修订而成,适用范围
《DesignofLatticedSteelTransmissionStructures》ASCE
10-97
美国土木工程师协会2000年发布关于《格构式钢结构传输塔》的设计规范。
目前在
国外工程中被普遍采用。
2材料
钢材牌号一般形式为“Q235“、”Q235B“、“Q235BF”形式。
Q――钢材屈服点屈”字汉语拼音首位字母;
A、B、C、D――分别为质量等级;
F――沸腾钢沸”字汉语拼音首位字母;b――半镇静钢半”字汉语拼音首位字母;
Z――镇静钢镇”字汉语拼音首位字母;
TZ――特殊镇钢特镇”两字汉语拼音首位字母。
在牌号组成表示方法中,“Z“与”TZ“符号予以省略。
钢材的质量好坏主要取决于钢中有害杂质硫、磷的含量,这些有害杂质会导致钢材出现
热脆性或冷脆性出现,A〜D随着等级不同有害杂质的含量也不同,导致各等级低温冲击韧性越来越好(主要是指冲击功韧性试验,不试验、20°试验、0°试验、-20。
试验)。
《110~500kV架空送电线路
杆塔设计技术规定》
《110~750kV架空输电线路设
计技术规疋》
《钢结构设计规范》
一般采用Q235、Q345,有条
件也可采用Q390
一般采用Q235、Q345、Q390、
Q420,有条件也可采用Q460。
钢材质量等级:
所有杆塔结构的钢材均应满足B级钢的质量要求。
承重结构的钢材宜采用
Q235、Q345、Q390、Q420。
部分承重结构和构件不能采用Q235沸腾钢,尤其是低温、承受动力荷载和焊接件。
其余规程中未涉及钢构件材料的具体要求,目前根据实际况看,500kV以下的塔普通采
用了Q235和Q345两种材质,500kV以上的杆塔主材有好多已经开始采用了Q420。
对于其
它行业的高耸建筑物,一般采用的是Q235和Q345两种材质。
但在设计使用组合构件(如
组合角钢)时,由于高强度钢(如Q420)的伸长率一般较低,而组合截面的尺度较大如果按一个整体来考虑,一旦出现弯矩,可能会导致应力不均局部失效,此时在设计时必须进行
相应的补偿设计考虑。
镇定钢在冶炼的后期用锰铁,硅铁和铝进行了充分的脱氧,钢水在锭模内平静的凝固,它的化学成分均匀,组织致密,质量高,但有缩孔。
沸腾钢在冶炼的后期没有进行充分的脱氧,导致了钢水在锭模内仍在脱氧,引起了钢水
的沸腾,所以少量气体被封闭在钢锭内,形成了气泡。
它的成分不均匀,组织不致密,质量差。
沸腾钢只能是低碳钢,所以限制了它的使用范围。
并且要经过锻打。
前者的冲击韧性比后者好,但强度和伸长率相差不大。
3风荷载
\规
范、、
科目\
《110~500kV架空送电线路杆
塔设计技术规定》
《110~750kV架空输电线路设计技术规定》
《高耸结构设计规范》
《建筑结构荷载规范》
风速基准咼度
(m)
15m
10m
10m
10m
线缆风荷载计算
Wx"WoPz^scAdLpSin2日
同左
无相应内容
无相应内容
杆塔风荷载计算
Ws=W°4z4s3zAf
Af更名为As
同左
同左
基准风压标准
值Wo
Wo=V2/1600(V有最小值)
同左
Wo>0.35kN/m2
其余同右
122
W°=—pb0>0.3kN/m22
考虑了海拔高度(影响很小)近似与电力规范相同
a线缆风压不均匀系数
查表
查表,但与左取值不同
无相应系数
无相应系数
风压咼度变化
系数駡
与右二项比,因以15m作为基准高,且缺少D类地面类型,故取值有所不同
查表
查表
查表
#sc线缆体型
系数
与线缆直径及覆冰状态有关
同左
同右
无明确规定,只规定各类型截面杆件取1.3
巴构件体型系
数
分类查表,与《建筑结构何载规范》接近,但具体算法不同
按照《建筑结构荷载规范》
按照《建筑结构荷载规范》
分类查表计算
PcPz风荷载
调整系数
分类查表,塔咼不超过60m时按全高一个系数计算。
同左,但增加基础及杆塔覆冰工况的规定
增加护栏结构计算
Pgz,并考虑了地点
因素,其余同右
更名为风振系数,并分类查表计算
\、规
MX
科目
《110~500kV架空送电线路杆
塔设计技术规定》
《110~750kV架空输电线路设计技术规定》
《高耸结构设计规范》
《建筑结构荷载规范》
AfAs构件承
受风压投影面
积
分类查表计算,但基本依照《建筑结构荷载规范》
依照《建筑结构荷载规范》
依照《建筑结构荷载规范》
分类查表计算
4覆冰荷载
\规
范:
'、
科目、、、
《110~750kV架空输电
线路设计技术规定》
《高耸结构设计规范》
《建筑结构荷载规范》
覆冰厚度
在风压计算中在风压调整系数中有考虑,导地线有单独的覆冰考虑
依照《建筑结构荷载规范》
分类查表计算
圆截面构件覆冰何载(单位长
度)
=iibotrOtzP+©0^0(2卩*10^
单位kN/m
无相关内容
非圆截面构件覆冰何载(单位面积)
qa=0.6bo(2;'・10",单位kN/m2
b基本覆冰厚度
查表计算
«1与构件直径
有关的覆冰厚度修正系数
查表计算
□2覆冰厚度的
高度递增系数
查表计算
覆冰密度Y
9kN/m3
5杆塔构造基本规定
5.1设计原则
耸结构设计规范等相关内容。
设计原则
《钢结构规范》
GB50017-2003
除疲劳计算外,米用以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系数设计表达式进行计算。
《高耸结构设计规范》
GB50135-2006
咼耸结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。
可靠度可米用
以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。
设计基准期为50年。
《110kv~750kv
架空输电线路设计技术规定》
Q/GDW179-2008
杆塔结构设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计法,结构构件的可靠度采用可靠指标度里,极限状态设计表达式米用荷载代表值、材料性能标准值、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。
对于可靠度的定义,在《高耸机构设计规范》中有明确说明,即为高耸结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求:
1、在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用。
2、在正常使用时具有良好的工作性能。
3、在正常维护下具有足够的耐久性能。
4、在设计规定的偶然事件发生时及发生后,仍能保持必须的整体稳定性。
5.2结构的极限状态
结构的极限状态是指结构或构件在规定的各种荷载组合作用下或在各种变形或裂缝的限值条件下,满足安全使用(线路安全运行)的临界状态。
极限状态分为承载力极限状态和正常使用极限状态。
承载能力极限状态
正常使用极限状态
《钢结构设计规范》
GB50017-2003
构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载,结构和构件丧失稳定,结构转变为机动体系和结构倾覆。
影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形,影响正常使用的振动,影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包括混凝土裂缝)。
《高耸结构设计规范》
GB50135-2006
这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。
这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。
《110kv~750kv
架空输电线路设计技术规定》
Q/GDW179-2008
结构或构件达到最大承载力或不适合继续承载的变形。
结构或构件的变形或裂缝等达到正常使用的规定限值。
5.3极限状态的计算方式
结构及构件在极限状态下的计算方式,在《钢结构设计规范》中指出,按承载能力极限
状态计算钢结构时,应考虑荷载效应的基本组合,必要时尚要考虑荷载效应的偶然组合;按正常使用极限状态计算钢结构时,应考虑荷载效应的标准组合,对钢与混凝土组合梁,尚应考虑准永久组合。
在《高耸结构设计规范》中又进一步指出,对承载能力极限状态,高耸结构及构件对荷
载效应的基本组合与偶然组合都得进行设计;对正常使用极限状态,应根据不同的设计要求,
分别采用荷载的短期效应组合(标准组合或频遇组合)和长期效应组合(准永久组合)进行设计。
在《110kv~750kv架空输电线路设计技术规定》中给出了极限状态下的计算表达式。
1)结构或构件的承载力极限状态,应采用下列表达式:
%(为•汁屮£冶*SqiK)WR
式中:
-一结构重要性系数,按安全等级选定。
结构重要性系数采用规定
《钢结构设计规
范》GB50017-2003
一般工业与民用建筑钢结构的安全等级应取二级,其它特殊建筑钢结构的安全等级应根据具体情况另行确定。
对设计使用年限为25年的结
构构件,不应小于0.95;
《高耸结构设计规
范》GB50135-2006
1、对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件,不
应小于1.1;
2、对于安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件,不应小于1.0;
《110kv~750kv架空输电线路设计技术规定》
Q/GDW179-2008
一级:
特别重要的杆塔结构,兀不应小于1.1;二级:
各级电压线路
的各类杆塔,应取兀=1.0;三级:
临时使用的各类杆塔,应取兀=0.9;
――重力荷载分项系数,
重力荷载分项系数%,采用规定
《高耸结构设计规范》
GB50135-2006
有利
一般结构计算
1.0
倾覆、滑移验算
0.9
不利
由可变荷载控制
1.2
由永久荷载控制
1.35
《110kv~750kv
架空输电线路设计技术规定》
Q/GDW179-2008
对结构受力有利时,用不应大于1.0,不利时,应取%,=1.2;
――第i项可变荷载的分项系数,应取=1.4;对温度作用可用1.0;可变荷载效
应对结构有利时,分项系数为0(《高耸结构设计规范》)
-H重力荷载标准值的效应;
i――第i项可变荷载标准值的效应;
――可变荷载组合系数,各级电压线路的正常运行情况,应取=1.0,220kV及以上
送电线路的断线情况和不均匀覆冰情况及各级电压线路的安装情况,应取
=0.9,各级电压线路的验算情况和110kV线路的断线情况,应取=0.75;
■——结构构件的抗力设计值。
2)结构或构件的正常使用极限状态,应采用下列表达式:
式中:
C——设计时对构或构件的裂缝宽度或变形等规定的相应限值,mm。
在《高耸结构
设计规范》中对此进一步阐述,并注明此限值应符合下述的规定。
高耸结构正常使用极限状态的控制条件应符合下列规定:
1、对于装有方向性较强,(如微波塔、电视塔)或工艺要求较严格(如石油化工塔)的设备高耸结构,在不均匀日照温度或风荷载(标准值)作用下,在设备所在位置塔身角位移应满足工艺要求。
2、在风荷载或常遇地震作用下,塔楼处的剪切变形不宜大于1/300。
3、在风荷载的动力作用下,设有游览设施或有人员在塔楼值班的塔,塔楼处振动加速度值
不宜大于200mm/5’。
其中对有常驻值班人员的塔楼A{为风压频遇作用下塔
楼处水平动位移幅值,其值为结构对应点在0.4•I作用下的位移值与0.4":
作用
下的位移值之差,';为基频;对仅有游客的塔楼可按照世界使用情况取■'■.为6~7级风
作用下水平位移幅值。
5.4基本规定
1、杆塔结构荷载分类:
a)永久荷载:
导线及地线、绝缘子及其附件和杆塔结构及杆塔上各种固定设备的重力荷载;土压力及预应力等荷载。
b)可变荷载:
风和冰(雪)荷载;导线、地线及拉线的张力;安装检修的各种附加荷载;结构变形引起的次荷载及各种振动荷载。
2、不带拉线的直线杆,在纵向荷载情况下计算时,可以考虑顺线路方向的底线支持力作用。
但最大支持力不得大于地线线夹的允许握着力,并考虑有一定的裕度。
4、一般拉线杆塔,拉线受力按简化方法计算时,须乘以1.05增大系数。
5、杆塔拉线除应力一般控制在(120~140)N/mm2。
拉杆预拉力可取拉杆最大使用拉力的
20%~30%。
6、铁塔辅助材的承载能力一般不低于所支撑主材内力的2%、斜材内力的5%。
7、在荷载的长期效应组合(无水、风速5m/s及年平均气温)作用下,杆塔的计算挠曲度
(不包括基础倾斜和拉线点位移),不应超过下列数值:
a)悬垂直线无拉线单根钢筋混凝土杆及钢管杆:
5h/1000;
b)悬垂直线自立式铁塔:
3h/1000;
c)悬垂直线拉线杆塔的杆(塔)顶:
4h/1000;
d)悬垂直线拉线杆塔,拉线点以下杆(塔)身:
2H/1000;
e)耐张转角及终端自立式铁塔:
7h/1000。
注:
h为地面起至计算点高度,H为电杆拉线点至地面的高度;根据杆塔的特点,设计应提岀施工预偏的要求。
&在考虑荷载效应的标准组合及长期效应组合影响下,普通和部分预应力混凝土构件正截
面的裂缝控制等级为三级,计算裂缝的允许宽度分别为0.2mm及0.1mm。
预应力混凝
土构件正截面的裂缝控制等级为二级,一般要求不出现裂缝。
6杆件强度设计
构件截面材料或连接抵抗破坏的能力称之为强度,强度计算是防止结构构件或连接因材
料强度被超过而破坏的计算。
对于杆件强度设计,《钢结构设计规范》中指出,计算结构或
构件的强度、稳定性急连接的强度时,应采用荷载设计值(荷载标准值乘以荷载分项系数)计算疲劳时,应采用荷载标准值。
并且在《110kv~750kv架空输电线路设计技术规定》中再
次指出结构或构件的强度、稳定和连接强度,应按承载力极限状态的要求,采用荷载的设计
值和材料强度的设计值进行计算;结构或构件的变形或裂缝,应按正常使用极限状态的要求,采用荷载的标准值和正常使用规定限值进行计算。
6.1轴心受力构件的强度计算:
N/An 式中: N—轴心拉力或轴心压力设计值,N。 -构件强度折减系数: 受拉构件: 双肢连接的角钢和中心连接钢管构件 m=1.0 偏心连接钢管构件 m=0.85 单肢连接的角钢构件(肢宽>40mm) m=0.70 单肢连接的角钢构件(肢宽w40mm) m=0.55 受压构件: 双肢连接的角钢和中心连接钢管构件 m=1.0 单肢连接的角钢和偏心连接钢管构件 m=0.85 组合断面构件(无偏心) m=1.0 组合断面构件(有偏心) m=0.85 An-构件净截面面积,mm2。 对多排螺栓连接的手拉构件,要考虑锯齿形破坏情况。 f—钢材的强度设计值,N/mm2。 6.2受弯构件计算: WxWy 式中: Mx、My绕x轴和y轴的弯矩设计值,N•mm; mM Wx、Wy对x轴和y轴的截面抵抗钜,mm3; 受弯构件稳定强度折减系数: 角钢构件: mM=1.0 钢管构件: 根据外径Do与壁厚t之比计算确定: 当20<38060时 tf mM=1.0 t38060Do76130时 当 ftf 11410 mM=0.70+— (D0/t£f 6.3受拉同时受弯构件的强度计算 NM ± m[AnmM_W 6.4偏心受力构件强度验算 铁塔中构件多以轴心受力为主,偏心受力的情况只作为截面强度验算。 在《高耸结构设 计规范》中对于偏心受压和偏心受拉构件的截面强度,给出了相应的验算公式。 1、拉弯和压弯构件的截面强度,当弯矩作用在主平面时,应按下式验算: NMx f AnWnx 式中: Mx——对x轴的弯矩; Wnx对X、y轴的净截面抗弯模量。 注: 当弯矩作用在两个平面时,压弯构件的强度及稳定验算按现行国家标准《钢结构设计规范》 GB50017进行。 2、格构式压弯构件应按下式验算单肢的强度: Anu 式中n――单肢数目; Nm——截面弯矩在单肢中引起的轴力(N); 2 Anu——单肢净截面面积(mm)。 3、格构式轴心受压构件的剪力应按下式计算: 式中 2 y——钢材屈服强度(N/mm)。 此剪力v值可认为沿构件全长不变,并由承受该剪力的缀件面分担。 4、计算格构式压弯构件的缀件时,应取实际最大剪力和按上式的计算剪力两者中的较大者进行计算。 1)缀条的内力应按桁架的腹杆计算。 2)缀板的内力应按下列公式计算,见图 剪力: Vi= 6-01。 V,a 弯矩(在和肢件连接处) Ml s Vq 式中V 分配到一个缀板面的剪力( VJ2 a缀板中到中距离(m); s肢件轴线间距(m)。 Ki/2 VJ2 图6-01缀板的内力 5、单管塔受压时,钢管径厚比不应大于100•单管塔受弯时(轴压应力占最大应力值 5%以 内)验算弯矩作用平面内稳定时,其设计强度f应乘以修正系数。 %按下式计算: 1.0 对Q235: —<140t 14^1—<300 t —_110t 1.0 对Q345: 66.621926.5 %=0.554 (D)(D)2 (t)t 7杆件长细比计算 杆件的长细比指构件的计算长度与构件截面回转半径的比值。 在轴心受压构件的整体稳 定计算中,按临界力相等的原则,将格构式构件换算为实腹构件进行计算时所对应的长细比或将弯扭与扭转失稳换算为弯曲失稳时采用的长细比称之为换算长细比。 7.1构件长细比的界定 长细比(Lo/r)是衡量一根杆件柔度,进行压杆稳定设计的重要综合参数。 长细比越大杆件柔性越大,也就越容易弯曲变形。 该参数同时反映压杆长度、支撑方式和截面几何性质 对临界(压)应力的影响。 为了保证全塔杆件都有一定的抗弯刚度(不容易发生失稳、弯曲), 2002版《技术规定》、《钢结构设计规范》等规定、规范中对钢结构杆件的允许最大长细比都有详细的规定,如表7-01所示。 表7-01钢结构构件允许最大的长细比Lo/r 《110~500kV架空送电线路杆塔设计技术规疋》 《110~750kV架 空输电线路设计技术规疋》 《钢结构设计规 范》 《高耸结构设计规范》 受压构件 受压主材 L0/r<150 L0/rw150 L0/rw150 L0/rw150 受
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