（土木工程专业论文）关于钢结构电视塔与输电塔设计方法区别的研究.pdf

摘要 摘要 钢结构电视塔和输电塔在我国离耸建筑中占有举足轻重的地位，两者在设 计方法上既有相同之处也有不同的地方。人们对于两种结构各自设计方法的研 究和论述非常之多，但对于两者设计方法的区别的研究却很少。有些设计人员 对于两种结构设计方法之间的相同和不同之处不是很清楚，并由此在设计过程 中产生了一些问题。因此。对钢结构电视塔和输电塔在设计方法上的区别进行 研究就显得十分必要。 为了准确而全面地比较钢结构电视塔和输电塔在设计方法上的区别，本文 进行了如下的工作： 首先，根据两种结构各自的规范简单扼要地对两种结构的设计方法进行论 述。在论述的过程中侧重于各自在设计上的特点，并从原理上对两者的设计方 法进行分析论述。 其次，对两种结构的设计思想、结构选型、荷载计算方法、结构计算、杆 件验算以及构造处理等诸多方面进行详细的对比，找出其不同之处，并客观地 分析其原因。 最后，通过工程实例( 广东阳春钩髻顶发射塔) 说明两种结构在设计方法 上的区别以及可能产生的后果，并提出自己的建议。 关键词：钢结构电视塔，输电塔，设计方法，高耸规范，输电塔规范， 区别研究 a b s t r a c t 一- - 1 _ _ _ 。_ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ 。- 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - 。1 。_ 。_ _ 。- - _ 。- 。_ _ _ 。_ _ 。- _ 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 一 a b s t r a c t s t e e ls t r u c t u r et vt o w e ra n dt r a n s m i s s i o nt o w e rp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei n h i g h r i s es t r u c t u r e o fo u rc o u n t r y t h e r ea r eb o t hs a m e n e s sa n dd i f f e r e n c ei nt h e d e s i g no ft h e s et o wk i n d so fs t r u c t u r e t h ed e s i g n i n gm e t h o do f e a c hk i n do fs t r u c t u r e h a sb e e nr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e dt oav e r yd e e pd e g r e e ，b u tt h er e s e a r c hc o n c e r n i n g t h ed i f f e r e n c eo ft h ed e s i g n i n gm e t h o do ft h e s et w ok i n d so fs t r u c t u r ei sv e r yl i t t l e s o m ed e s i g n e r sa r en o tc l e a ra b o u tt h es 猢e s sa n dd i f f e r e n c eo ft h ed e s i g n i n g m e t h o d so f t h e s et w ok i n d so f s t r u c t u r ea n dp r o d u c es o m ep r o b l e m si nd e s i g nf o rt h i s r e a s o n s ot h er e s e a r c hc o n c e r n i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e s i g n i n gm e t h o d so f s t e e ls t r u c t u r et vt o w e ra n dt r a n s m i s s i o nt o w e rb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t ， i no r d e rt om a k ec l e a rt h ed i f f e r e n c eo ft h ed e s i g n i n gm e t h o d so fs t e e ls t r u c t u r e t vt o w e ra n dt r a n s m i s s i o nt o w e rp r e c i s e l ya n dr o u n d l y , t h ef o l l o w i n gw o r kw a sd o n e i nt h i se s s a y ： f i r s t l y , t h ed e s i g n i n gm e t h o do ft o wk i n d so f s t r u c t u r ew a sd i s c u s s e da c c o r d i n g t or e s p e c t i v ec r i t e r i o nc o n c i s e l y t h er e s p e c t i v es p e c i a l t yi nd e s i g nw a se m p h a s i z e d d u r i n gd i s c u s s i o na n dt h ed e s i g n i n gm e t h o d so fb o t hw e nd i s c u s s e di nt e r m so f 也e o r y s e c o n d l y , t w ok i n d so fs t r u c t u r ew a sc o m p a r e di nd e t a i li nd e s i g n i n gi d e a 、 s t r u c t u r a lf o r m sc h o o s e 、l o a dc o m p u t i n gm e t h o d 、s t r u c t u r a lc o m p u t a t i o n 、m e m b e r c h e c kc o m p u t a t i o na n ds t r u c t u r a lt r e a t m e n ta n ds oo nt of i n dt h ed i f f e r e n c ea n dt h e r e a s o nw a sa n a l y z e do b j e c t i v e l y f i n a l l y , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed e s i g n i n gm e t h o d so ft w ok i n d so fs t r u c t u r e a n dt h ep r o b a b l es e q u e n tw 黜e x p l a i n e dt h r o u g hap r a c t i c a lp r o j e c t ( g u a n g d o n g y a n g c h u ng o u j i d i n gt o w e r ) a n dm y o w r ls u g g e s t i o n sw e r eg i v e n k e yw o r d s ：s t e e ls t r u c t u r et vt o w e r ，t r a n s m i s s i o nt o w e r ，d e s i g n i n gm e t h o d ， h i g h r i s ec r i t e r i o n ，t r a n s m i s s i o nt o w e rc r i t e r i o n ，d i f f e r e n c er e s e a r c h l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：f 笼诅钏 伊璋多月以日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：7 衮劾0 钢 纠订年多月f 1 9e t 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 钢结构具有重量轻、强度高、延性大、抗震性能好、施工速度快、构件截 面小、结构净空和跨度大、可改造性强、综合经济指标好等优点，因此，近几 年钢结构己越来越广泛地应用于我国的电视塔建造当中。高2 3 2 米的青岛电视 塔( 1 9 9 5 ) 、高3 3 6 米的黑龙江电视塔1 1 1 ( 1 9 9 9 ) 等采用的都是钢结构。此外， 很多中小型的电视塔也越来越多采用钢结构方案进行设计和建造。 输电线路塔因其量大面广在高耸结构中占有非常重要的地位。我国高压及 超高压输电线路建设始于5 0 年代初，国内第l 条2 2 0 k v 电压的输电线路在东北 地区兴建；7 0 年代西北地区建成3 3 0 k v 电压的输电线路，8 0 年代建成5 0 0 k v 电 压的输电线路多条。目前运行超高压5 0 0 k v 电压的输电线路已有近2 0 0 0 0 k m ， 还有很多2 2 0 k v 、3 3 0 k v 电压的输电线路在运行。普通输电线路塔虽然在高度上 不及电视塔，但是其数量却是惊人的。 可以说，钢结构电视塔和输电塔在我国经济建设特别是基础设施建设中占 有十分重要的地位。由于钢结构电视塔和输电塔都是高耸结构的一种，所以两 者在设计方法上是有许多相似性的；但是输电线路塔由于其自身的行业特殊性， 其在结构选型、荷载计算、结构计算、构件验算、结构构造等方面与钢结构电 视塔又不尽相同，两者在设计时都有其自己的规范：高耸规范和输电塔规范。 但是由于设计者对两者设计方法之间的联系和区别认识得不够清楚，近几年在 钢结构电视塔和输电线路塔的设计上出现了一些混乱：有人用高耸结构设计 规范设计输电塔，也有人用输电塔规范设计钢结构电视塔。这种混乱造成了 一些工程问题。比如，本文将要讨论的广东阳春钩髻顶发射塔，属于钢结构电 视塔，却是根据输电塔规范进行设计的。致使该塔在经受1 2 级台风后变形超出 国家标准，严重影响了建筑物的正常使用。由于钢结构电视塔和输电线路塔大 都是关系国计民生的重要建筑，如果出现工程问题，将对国家建设、人民的生 命和财产安全造成不可挽回的损失。因此，对钢结构电视塔和输电线路塔的设 第1 章绪论 计方法进行比较，找出两者之间的区别和联系就显得尤为必要。 1 2 研究现状综述 本文所研究的钢结构电视塔和输电塔都是指一般型的钢结构电视塔和一般 型的输电塔，不涉及一些特殊的结构，后面所提到的钢结构电视塔和输电塔也 就是一般钢结构电视塔和一般型输电塔。文中所论述的两者的设计方法，也只 是针对一般型结构的一般的设计方法，不包括特殊情况下的一些特殊处理方法。 目前，人们对于钢结构电视塔和输电塔各自设计方法的研究和论述已经是 非常深入、非常详细了。这方面的著作、文章也是不可胜数。但是，对于钢结 构电视塔和输电塔设计方法联系和区别的研究却近乎空白，这方面的文献也是 寥寥无几。这其中的一个重要原因是人们对于这种研究的必要性没有充分的认 识。认为钢结构电视塔的设计按照高耸规范，输电塔的设计按照输电塔规范， 两者没有必要牵扯到一块。如果细心地对比一下高耸规范和输电塔规范，就会 发现其实这两种规范是存在很多相同的地方的，甚至可以说是大同小异。最近 修订的高耸规范就反应了两者设计方法之间的这种相似性，并将输电高塔也纳 入了其适用范围。因此。研究这两种结构在设计方法上的联系和区别不仅是完 全必要而且是非常重要的。 钢结构电视塔和输电塔在设计方法上的联系和区别不是十分的复杂，因为 这不涉及任何新的概念和新的理论，只是两种设计方法之间的一种横向比较。 不过，要对两种设计方法进行全面丽细致的比较，并从根本和原理上找出两者 之间之所以联系和区别的原因也不是一件十分容易的事，没有相当的时间是不 可能完成的。另外，得出来的结论还必须经过工程实践的检验，这更不是一天 两天就可以办到的。 在导师的指导下，笔者有幸对这一课题作了一些工作和研究，并得出了一 点结论。但由于时间有限，对两者的比较未能做到面面俱到，有些地方还是非 常粗浅甚至是不正确的，所以本文的一个目的也就在于能够提出问题并与大家 一起探讨。 2 第1 章绪论 1 3 本文研究内容和方法 本文拟通过对比与综合和实例验证的方法来研究钢结构电视塔和输电塔在 设计方法上的区别。 1 、通过对比高耸规范和输电塔规范，比较钢结构电视塔和输电塔在设计原 理、设计方法上的不同，找出两者相互之间的区别；分析两者之所以不同的原 因，从根本上对两者结构的设计方法进行把握。 2 、利用具体的工程实例( 广东阳春钩髻顶发射塔) 说明用输电塔规范设计 钢结构电视塔可能会产生的后果。通过实例分析，加深对两种结构设计方法的 认识。并对钢结构电视塔和输电塔的设计提出建议。 3 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 本章主要依据高耸结构设计规范，参考钢结构电视塔设计方面的相关书 籍，从设计思想、结构选型、荷载计算、结构计算、构件验算以及结构构造等 方面对钢结构电视塔的设计方法进行简单的阐述。 2 1 钢结构电视塔的设计思想 钢结构塔架是一种特殊结构，其特点是高度对于横截面尺寸比例很大，横 向水平荷载起决定性作用。风荷载是钢结构塔架的主要荷载，风荷载与结构高 度、横截面尺寸、构件形式等有关。因此在满足使用和客户要求的前提下合理 确定结构的建筑图形及几何尺寸，正确选用构件截面及构造方案是钢结构塔架 设计时首要考虑的重要步骤。在考虑满足要求的结构形式时，应作各种方案的 技术经济比较，以求进一步节约材料降低造价。减小风荷载对节约材料、降低 造价有重要的意义，应尽量采用具有最小风压值的截面和尽量简化构造，减小 迎风面积，使结构上的风荷载降到最低限度。 一般的钢结构塔架设计的主要原则是：满足工艺要求，即客户对外形的基 本要求以及对塔架使用功能的要求，保证结构强度、刚度和稳定性的要求。也 就是说，高耸的钢结构塔架必须能够承受正常施工和正常使用时可能出现的各 种荷载作用和变形，在正常使用时具有良好的工作性能，在正常维护下具有足 够的耐久性，在偶然事件发生及以后，仍能保持必须的整体稳定性；节约材料， 简化制造，加快安装，便于维护，降低造价，力求最佳的经济效益。对于城市 大中型电视塔，还要适当注意建筑造型的美观和与其它建筑物的相互协调，以 及考虑广播、电讯、消防、气象、交通指挥、旅游晾望等综合利用。为了确定 比较好的结构形式，需要对钢结构塔架在使用、建筑、结构、选材、施工等方 面做出方案比较。并从实际出发，权衡利弊综合分析、全面考虑，合理地选用 最优方案。 4 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 2 2 钢结构电视塔的结构选型 塔架是自立式结构，其计算图形与悬臂梁相同，根部弯矩最大，因此最理 想的立面形式应该是抛物线形，实际上塔架外形不可能做成理想的曲线，设计 时应将工艺要求和建筑、结构设计以及制造、安装等相互关联的因素综合考虑。 首先要满足工艺要求，然后再大致按照塔架在外力作用下的弯矩图形、以及腹 杆受力最小的理想坡度，确定塔架外形尺寸，同时考虑给予制造、安装工作创 造方便。塔架立面轮廓线基本上有( a ) 直线型：( b ) 单折线型：( c ) 多折线型； ( d ) 带有拱形底座的多折线型等四种( 如图2 1 1 2 ) 。 ( 三边彤) 莘庄电视塔 ( a ) ( 四边形) 江馥通信塔 ( b ) 5 a ) 拱形底座多折线型塔 l 边形等( 如图2 - 2 ) 。在 ( 六边形) 鄞县电视塔 ( c ) ( 八边形) 黑龙江电视塔 ( d ) 叁=一i太融嚣善 刃塔 瞬河 因阁凰一麓。争扩& 词崖一 嚣；奎 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 回莳 a - a b bc c d - d 图2 - 2 正多边形截面钢塔 一般情况下，塔架截面边数越少，耗用钢材也越少，三角形截面最省材料， 四边形次之，四边形的侧向刚度与抗扭性能都比较好，因此多用在悬挂天线网 的塔架中。当塔架较高，底盘尺寸较大，如用四边形腹杆过长，则可改用六边 形或八边形，有时为了美观，也有用多变形。对于建立在城市中心的电视塔， 由于建筑艺术上的要求，常常采用传统的多边形截面。 塔架截面边数越多，所耗钢材也就越多。在相同高度、相同技术条件、相 同气候条件的情况下，塔架八边形结构要比三角形结构多用钢材3 0 左右，比 四边形结构多用钢材2 0 左右1 2 】。 11 塔架底盘宽度常取整个塔高的 。底盘大小对于风荷载作用下的塔架 l u4 水平位移、自振周期、对基础的作用力和建筑造型方面的艺术处理都有关系。 凡对水平位移要求较严、地基承载力较差、建筑造型要求较高的塔架，则应采 用较大的底盘宽度。这样不但可以减少水平位移和塔柱内力，使塔柱可用较小 截面，而且还可减少基础材料消耗和施工费用。如果底盘加大，必然会增加一 些腹杆的耗钢量，但实践证明：底盘宽度的大小对塔架本身的钢材消耗影响不 大。我国广州电视塔方案设计时，曾作了底盘宽度为2 5 m ，3 0 m ，3 5 m ，4 0 m 等 方案的比较，计算结果证明耗钢量相差不到5 t ”。由此可见，底盘宽度与塔架 钢材消耗量关系不大，而与结构剐度和基础受力有关。 塔架的腹杆体系用钢量一般是比较大的，大约占塔架主体结构用钢量的4 0 左右。塔架腹杆布置合理与否，不仅影响钢材用量，还关系到使用性能、建筑 造型。因此，合理地选择腹杆体系很重要。 正多边形截面钢塔的塔柱均布置在棱边，塔面的腹杆有横、斜杆( 如图2 3 ) 。 根据腹杆的布置方式，又可分为“十”宇交叉形( a ) ，“米”字形( b ) ，“k ”形 ( c ) ，再分式腹杆形( d ) 等。 6 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 ( a )( b )( c )( d ) 图2 - 3 钢塔腹杆形式 ( a ) “十”字交叉腹杆体系常用于杆件长度较短处，它具有构造简单、焊 接量少等优点。在交叉斜腹杆的中点加一连接螺栓后还能靠受拉斜杆来减少受 压斜杆的长细比。但“十”字交叉腹杆体系与其它腹杆体系相比不利于减小杆 件长细比，故在塔身几何尺寸较大时往往因长细比控制而限制杆件截面造成 材料用量增多。为此可用“十”字交叉预应力柔性斜腹杆取代刚性斜腹杆。虽 然塔柱和横杆仍须用刚性杆，但斜杆长细比不受限制、迎风面减小会带来较好 的经济效益。当然改用柔性斜腹杆后塔的刚度也有一定减弱，但对一般几十米 高的非多功能塔，刚度问题不占据主要地位，故“十”字交叉腹杆体系应用相 当广泛。 ( b )“米”字形腹杆体系对减小塔柱、横杆及斜杆的长细比很有益。与 “十”字交叉腹杆体系相比，若塔体尺度相同，其各种杆件的长细比均几乎减 半，适合于角钢等单价低、回转半径小的材料，因而经济效益相当显著。其弱 点是节点数量多，有的节点较复杂，横膈杆件多，节点多。但这些杆件长度均 较短，故增加用材并不多。所以“米”字形腹杆体系对于大中型钢塔均较合适。 ( c ) “k ”形腹杆体系的各种优缺点都介于“十”字交叉形和“米”字形 之间。在使用方面，横杆中点受两斜杆支撑，便于布置集中荷载作用点。 ( d ) 对于几何尺寸较大而材料用量限制较为严格的塔，还常用再分式腹 7 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 杆体系。这可以进一步减小杆件长细比，发挥材料的有效作用。但同时辅助材 料增加又造成了经济上的损失。 综上所述，各种腹杆形式均有其优缺点，设计者应该综合对比，均衡得失， 确定自己合理的设计方案。 与总体设计有关的问题还有塔楼处主体结构的选用、边数改变时过渡节的 设计方法、塔内平面横膈的设计等。 2 3 钢结构电视塔的荷载计算方法 塔桅结构的荷载作用按照作用时间的变异性和持续性分类，可分为三类： 永久荷载、可变荷载和偶然荷载。永久荷载是指统计规律与时间参数无关，其 量值在整个设计基准期内基本保持不变的荷载，一般的永久荷载有结构自重、 固定设备重、导线和线网张力、结构上的物料重、基础上的土重、土压力等。 可变荷载是指统计规律与时间参数有关，其量值在整个设计基准期内可以变化 的荷载，可变荷载一般包括风荷载、裹冰荷载、地震作用、雪荷载、安装或梭 修荷载、塔楼楼面或平台的活荷载、温度变化、基础不均匀沉陷等。偶然荷载 是指在整个设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大的荷载，一般有 线网拉断的作用力、桅杆纤绳绝缘子或支座绝缘破坏的作用力等。按照结构的 动力反应分类可以分为动力荷载和静力荷载。动力荷载是惯性力的作用，静力 荷载则是荷载本身有定的动力特性，使得结构产生的惯性力及动力效应可以 忽略的荷载。 高耸结构是高大的直立式结构，因此侧向作用的荷载将对结构产生最为不 利的影响，例如风荷载和地震作用，它们作用在结构上是水平力，使得结构在 水平方向上产生很大的位移，特别是风荷载的作用有可能使得结构失稳。因此 准确计算风荷载以及地震作用对结构的影响对于高耸结构的设计是至关重要 的。下面将主要介绍在对高耸结构进行设计时，如何计算风荷载以及地震荷载。 2 3 1 风荷载的计算 1 、高耸结构设计规范中风荷载的计算： 高耸结构设计规范第4 2 1 条规定，垂直作用于高耸结构表面单位面积 8 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 上的风荷载标准值应按下式计算： = 厉以以w o ( 2 - 1 ) 式中m 一作用在高耸结构z 高度处单位投影面积上的风荷载标准值 ( k n m 2 ，按风向投影) ； w n 一基本风压( k n m 2 ) ； 以z 高度处的风压高度变化系数； 从一风荷载体型系数： 卢：z 高度处的风振系数； 上面公式中的各个参数的取值在高耸结构设计规范中有明确的规定， 在此就不再做陈述。下面主要通过分析风荷载的作用机理来加深对上面风荷载 计算公式的理解。 2 、风荷载的作用机理 根据大量的风实测资料显示，在风的顺向时程曲线中，包含了两种成分； 一种是长周期部分，其时间常在1 0 分钟以上；另一种是短周期部分，常只有几 秒钟左右。根据上述两种成分，实用上常把风分为平均风( 即稳定风) 和脉动 风( 常称阵风脉动) 来加以分析。平均风是在给定时间间隔内，把风对建筑物 的作用力速度、方向以及其它物理量都看成不随时间而改变的量，考虑风的长 周期大大地大于一般结构的周期。因而其作用力相当于静力。脉动风是由于风 的不规则性引起的，它的强度随时间按随机规律变化，由于周期较短，因而其 作用力是动力性质的。将引起结构的振动。所以风速可以表达为： v = ”， ( 2 2 ) 式中 v 一总风速，1 ，平均风速，v ，一脉动风速。 平均风速是一个重要统计特征，对确定风力的大小具有决定性。对高耸结 构进行静力分析时，主要考虑的是平均风即稳定风；而对高耸结构进行动力分 析时，就要考虑脉动风对结构产生的动力影响。 风速运动受到结构阻塞时会对阻塞物产生压力，垂直于风向的平面受到的 压力即为风压，单位为删坍2 ，风压和风速的关系可用下式来表示： w ：土珊2 ：土上v 2( 2 3 ) 2 2g 9 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 式中y 空气容重，标准大气压情况下的，= o 0 1 2 0 1 8 k n m 3 ； g 一重力加速度，纬度4 5 的海平面上重力加速度： g 。9 8 叫j 2 ，代入上式，得到w 2 蠢面不同的地区g 和，部不同，因而其变 化系数也就会不同。 风速的分布是空间的，沿着离地面高度的不同，风速应有所不同。风压沿 高度变化是由地表摩擦的结果，地面越粗糙，其影响越大。高楼林立的大城市 对风压的影响比广阔的海平面要大的多。实测结果表明，在一定时间间隔内， 个固定位置上的风速的平均值几乎是不变的，但却随高度的增大该值逐渐增 大。如上所述，作用于一点的风速可用平均风速和脉动风速来表示，而平均风 对确定风荷载大小具有决定性的意义。平均风沿高度方向的变化律，常称为平 均风速梯度又称为风剖面，是风的重要特征之一。由于地表摩擦的结果使接近 地表的风速随着离地面高度的减小而降低，加拿大d a v e n p o r t 根据实测结果分析 提出平均风沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即 詈= 4 a ， 式中 v 、z 一任意一点的平均风速和高度； v 。、z 。一标准高度处平均风速和高度； 口一地面的粗糙度系数，粗糙度越大d 越大。 表2 - 1 我国规范的四种地貌 类别下垫面性质地面粗糙度系数a梯度风高度h t 近海面、海岛、海岸、 a 类 1 23 0 0 湖岸及沙漠地区 田野、乡村丛林丘陵以 b 类及房屋比较稀疏的城 1 63 5 0 市和乡镇郊区 有密集建筑物的城市 c 类 2 2 4 0 0 市区 密集建筑群且建筑高 d 类 0 3 0 4 5 0 度较大的城市市区 但是当达到高空一定高度，脱离地面粗糙度的影响范围之后，风速就不继 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 续随高度增大，这个高度称为高度梯度日，从该高度处开始的风称为梯度风。 我国颁布的建筑结构荷载规范将地貌分为a ，b ，c ，d 四类，相应的梯度 风高度和地面粗糙度系数参见表2 1 。 2 3 2 地震荷载的计算 高耸结构的地震作用计算宜采用振型分解反应谱法【3 】【4 1 。对于特别重要的高 耸结构可采用时程分析法作比较计算。对于圆筒形结构、烟囱、水塔等亦可采 用底部剪力法h l 和近似简化法。下面主要介绍一下如何用振型分解反应谱法计算 高耸结构的地震作用。 l 、水平地震作用的计算 高耸结构采用振型分解反应谱法计算地震作用时，_ ，振型f 质点的水平地震 作用标准值凡应按下式计算( 如图2 4 【6 】) ： 图2 - 4 水平地震作用计算简图 以嘞蛹夏 g y ，= 掣一 “j g ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 刮 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 水平地震作用产生的总作用效应s 可按下式计算： s = 式中 凡一j 振型f 质点的水平地震作用标准值 a ，一相应于，振型自振周期乃的水平地震影响系数 一，振型f 质点的水平相对位移： q 一集中于f 质点的重力荷载代表值 ( 2 - 7 ) y ，一j 振型的参与系数； s ；一，振型水平地震作用标准值产生的作用效应( 弯矩、剪力、轴力 和变形等) ；振型数m 可取5 7 ，当基本周期t l 大于1 5 s 时 可适当增加。 2 、竖向地震作用的计算 竖向地震作用计算简图如图2 - 5 【6 。 图2 - 5 竖向地震作用计算简囤 结构底部总竖向地震作用标准值甩应按下式计算： 1 2 ( 2 - 8 ) 一$ 一州 j 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 质点i 的竖向地震作用标准值民应按下式计算： 瓦：l 名 ( 2 9 ) q l 式中 q 一一竖向地震影响系数的最大值，可取水平地震影响系数的最大 值口的6 5 ； 6 | 埘一结构等效总重力荷载，取0 , 7 5 呸： 吼一计算地震作用时结构的总重力荷载代表值，g e = g 计算； ，l q ，q 一集中于质点i ，j 的重力荷载代表值； h i ，t 一集中质点f ，的高度。 2 3 3 覆冰荷载的计算 在空气湿度较大的地区，当气温急剧下降时，塔桅结构上的架空导线、纤 绳和结构构件表面都会结一层冰凌，这就是覆冰现象。结构覆冰后，即产生了 覆冰重力荷载，等于增加了结构自重，又增加了结构挡风面积，相应地增加了 风荷载，后者尤为设计所关注。 圆形截面构件每单位长度上的覆冰重力荷载为： g l = 庙口l 口2 p + b a i 口2 】r 1 0 - 6 ( 2 - 1 0 ) 式中吼一单位长度上的覆冰荷载( 七m ) ； b 一基本覆冰厚度( 州m ) ； d 一圆截面构件、拉绳、缆索、架空线的直径( m m ) ； 一与构件直径有关的覆冰厚度修正系数； a ，一覆冰厚度的高度递增系数； ，一覆冰重度，一般取9 k x m 3 。 非圆截面构件每单位表面面积上的覆冰荷载为： 1 3 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 吼= 0 6 b z 2 ，1 0 3 ( 2 1 1 ) 式中q o 一单位面积上的覆冰荷载( k n m 2 ) 。 2 4 钢结构电视塔的结构计算方法 钢结构电视塔的静力分析一般按整体空间桁架法i2 】【”。整体空间桁架法将整 个塔架作为超静定空间体系，根据平衡条件和变形协调关系列出联立方程，然 后求解塔架的内力和变形。矩阵位移法就是把塔架作为超静定空间体系，以每 一根杆件为一单元，用矩阵位移法求解。由于采用了有限单元法计算，整体空 间桁架法适用于各种腹杆形式的塔架能自动形成各节点，各杆件的编号，以 及各节点的坐标和外力，可计算塔架在风力和地震作用下的杆件内力、位移和 转角，还能计算塔架的自振周期和振型。 在塔架结构中，特别是高大的钢电视塔，其弦杆截面和刚度要比腹杆大得 多，而且构造是连续性的，因此考虑弦杆为连续，腹杆与其铰接更为接近实际。 所以整体空间桁架法就有考虑弦杆铰接与弦杆连续的两种办法。 整体空间桁架法是一种最精确、适用面广的计算方法，由于需要求解大量 联立方程，而方程中又包含大量系数，所以只有应用电子计算机才能迅速而又 精确地进行计算。不论是弦杆铰接还是弦杆连续，均可用整体空间桁架法借助 电子计算机解算，整体空间桁架法只要把有关数据( 塔架几何尺寸、杆件截面 积、荷载等) 输入计算机，很快就能得到计算结果。 2 5 钢结构电视塔的构件验算 2 5 1 轴心受力构件 轴心受拉和轴心受压构件的截面强度应按下式验算： 等s 厂( 2 - 1 2 ) 式中一轴心拉力和轴心压力： 1 4 第2 章钢结构电视塔设计方法论述 a 。一净截面面积： ，一钢材的强度设计值( n m m2 ) 。 轴心受压构件的稳定性应按下式验算： j n ， ( 2 1 3 ) 刎。 式中a 一构件毛截面面积； 口轴心受压构件稳定系数。 2 5 2 偏心受力构件 偏心受拉和偏心受压构件的截面强度，当弯矩作用在主平面时，应按下式 验算： 旦十丝+ 丝 、 k ；够 卜 么 i k 么 ；锣 i 沙呵 5 、25 15 a 左右 i ! ! ：! ：! ：型hj 注：图中a 、b 、c 及d 以及呼称高度均由电气专业确定 图3 - 3 自立式钢塔外形尺寸 一般常采用交叉双斜材及k 字形两种刚性腹杆形式。近年来广泛采用由圆 钢组成的带有长度调节装置的柔性腹杆形式，因为这种形式对节约材料、方便 加工及施工有一定意义。横担腹杆，在竖平面上常用刚性斜竖形式，而在上下 2 l 第3 章输电塔设计方法论述 平面内用交叉刚性双斜材或柔性拉条形式。 3 1 5 登塔设施 当塔高在l o o m 左右时，在塔身内( 或外) 设直爬梯；当塔高在1 5 0 m 左右 时，在塔身外设置旋转式盘梯；对特别商的塔，需在塔身中央设封闭电梯井筒， 筒内设置电梯。对一般常规高度在6 0 m 以下的输电塔则设置脚钉。 3 2 输电塔的荷载计算方法 3 2 1 计算采用的荷载类别 输电塔计算采用的荷载一般分为三大类： 1 、正常状态 正常状态，应计算以下工况：风向与线路方向相垂直；风向与线路方向的 夹角成4 5 。和6 0 4 ；风向顺线路方向：对于矩形( 不等边宽) 塔，还应计算风 向与线路方向的夹角成3 0 。此外，还应计算垂直档距最小水平档距不变时的 前面各种工况。转角塔的风荷载一般计算转角等分线方向的工况。计算塔身风 荷载作用于计算基础作用力对，内压调整系数与计算铁塔自身强度和变形时的 不一样，风压高度变化系数与铁塔将来所在的周围地面粗糙有关。铁塔大多位 于田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市的郊区， 取b 类：位于近海海面、小岛的取a 类。a 类是b 类的1 2 6 倍左右。 2 、事故状态 事故状态，就是计算断导、地线时，纵向不衡张力对地线支架，对横担和 横梁主斜材的作用。一般情况下，控制局部杆件，对整体不控制。在挂点附近 的斜材是单斜材布置的结构时，还应按断前侧和断后侧两种情况计算，此时， 对同一根斜材来说，一种是受拉、另一种是受压。转角塔和断线计算，还应接 水平力使主材受拉和受压的工况进行计算。断线张力按静荷载考虑，冲击影响 在荷载系数中作了考虑。 3 、安装状态 安装状态应按安装荷载、相应风速、无冰条件计算，风速一般按1 0 r r g s 。避 2 2 第3 章输电塔设计方法论述 雷线、导线的架设次序，一般考虑自上面下从里到外地逐相( 根) 架设，对双 回路或多回路塔，还应考虑在同一档内导线先架一回或几回的情况。起吊安装 荷载，应包括提升重力( 一般按两倍计算) 和安装工人及工具的附加荷载，提 升时应考虑动力系数1 1 。锚线对地夹角应尽量小，般不小于2 0 。，锚线强力 动力系数采用l ，1 。 3 2 2 风荷载的计算 1 、导线及地线风荷载的计算 导线及地线风荷载的标准值应按下式计算： u = a w o a a 反d l ，s i n2 口 ( 3 - 1 ) w 0 = 曙1 6 0 0 ( 3 2 ) 式中w 一垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值( k n ) ： 口一风压不均匀系数，应根据设计基准风速查表确定： 皿一5 0 0 k v 线路高塔导线及地线风荷载调整系数； 卢，一风压高度变化系数； ，。一导线或地线的体型系数； d 一导线或地线的外径或覆冰时的计算外径； 三。一杆塔的水平档距( m ) ： 口一风向与导线或地线方向之间的夹角( 度) ； w o 一基准风压标准值( k n m 2 ) 应根据基准高度的风速圪，按式( 3 2 ) 计算。 2 、塔身风荷载的计算 塔身风荷载的标准值，应按下式计算： w j = w o x ：u ，屈一， ( 3 - 3 ) 式中 嵋塔身风荷载标准值( k n ) 以一构件的体型系数； 尾一塔身风荷载调整系数： 爿，一承受风压面积( m 2 ) 。 第3 章输电塔设计方法论述 3 3 输电塔的结构计算方法 近几年，随着科学技术和理论的不断发展和进步，以及计算机的广泛应用， 输电铁塔的计算方法也在不断完善。从过去手算惯用的假定为静定的平面桁架 分析方法，到后来有了计算机，就能根据有限单元位移法的基本原理按空间超 静定桁架进行计算了，到后来又有了子空间迭代计算方法1 3 2 1 ，以及满应力计算 方法等。 目前在国内计算输电铁塔用得最多，比较方便使用的是由东北电力设计院 与鞍山铁塔厂合编的多接腿铁塔满应力设计、验算程序软件【3 引，这个软件 有下面的主要特点： a ) 满应力设计，验算和逐个工况地给出杆件内力，按每个工况算出基础作 用力。 b ) 可以是单基塔，也可以是多接腿，还可以是长短腿，由程序自动更换接 腿，不同的接腿与本体结合到一起就构成了新塔。 c ) 自动处理平面节点，自动核对力平衡。凡节点共一直线时，其坐标由程 序法计算，有两种不同计算方法。 d ) 在全部输入的荷载组合中，可以要求只计算其中的某一种或某几种荷 载，在全部输入的接腿中，可以要求只分析其中某几个。 e ) 具有塔自身风压荷载的自动计算功能。 f ) 对相互支撑的杆件，能自动处理同时受压的计算。 g ) 没有4 个基础的限制，还能用于计算特殊塔型，排架之类的结构计算。 h ) 数据运行后，可以形成铁塔的单线图，便于查错。 i ) 可以根据需要修改内置的角钢规格。 j ) 输出表格中，有杆件的节点号、角钢规格、材质标记、杆件长度、计算 长细比、稳定系数、最大拉力及最大压力、控制工况、杆件的工作条件 系数、计算应力、允许应力、连接螺栓规格及数量。 输电线路塔架在作详细分析使用程序计算之前，往往要对受扭情况作一个 粗略的估算，用以初步地选择结构有关主要尺寸。下面介绍一下简单的手工分 析计算方法。 2 4 第3 章输电塔设计方法论述 图3 - 4 塔架受扭计算简图 如图3 - 4 5 】所示，塔架承受扭矩后分配于各平面上的剪力按公式( 3 4 ) 及 ( 3 - 5 ) 计算。 当a 2 = a l ：b 2 = b l 时： 3 4 输电塔的构件验算 3 4 1 轴心受力构件 尉：堕 2 6 1 t b ：堕 2 以1 轴心受拉构件的强度计算： ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 黧 = = 尉 四 第3 章输电塔设计方法论述 二s 厂( 3 - 7 ) a 。 式中r 一轴心拉力： 以一净截面面积； ，一钢材的强度设计值( n t l m 2 ) 。 轴心受压构件的强度计算： n f ( 3 8 ) m a 式中一轴心压力； a 一构件毛截面面积； 州一结构构件工作条件系数。 轴心受压构件的稳定计算： 尝 - f ( 3 _ 9 ) 虫爿 式中九一稳定系数。 这里需要注意的是，在稳定计算时翼缘板自由外伸宽度b 与厚度t 之比，应 符合下式要求： b i t - ( 1 0 + 0 1 丑) ( 2 3 5 7 7 2 ( 3 1 0 ) 式中a 一构件两方向长细比的较大值：当丑 1 0 0 时，取且= 1 0 0 ； 钢材的屈服强度。 3 4 2 偏心受力构件 偏心受力构件应按下式计算稳定性： 旦丝r 识一 矿 。 式中m 一断面弯矩； 矿一弯矩作用平面内的截面抵抗矩 2 6 ( 3 - 1 1 ) 第3 章输电塔设计方法论述 3 5 输电塔的结构构造【5 i l 订f 1 1 1 f 2 3 1 3 5 ，1 材质的选定 为了减轻塔重和减小迎风面积，尽量用高强度材料。大角钢用1 6 m n ，小角 钢才用a 3 钢，尽量不用不等边角钢。钢板采用1 6 m n 或a 3 钢，尽可能在一种 塔内用同一种类的钢板。多采用高强度螺栓。 3 5 2 杆件的布置 在开始进行杆件布置之前，要与电气专业密切配合，领会电气的设计意图。 在满足电气要求的前提下，杆件布置力求做到主材传力清晰，构造力求简单， 杆件准线尽可能交于一点，减少偏心。平面内同一节点处的两主材夹角要满足 1 7 。以上，以避免整体失稳。受压主材的长细比尽量控制在5 0 7 0 之间。对于 酒杯型、猫头型铁塔的上、下曲臂的内侧主材，根据有关资料和试验，应尽量 使用双组合主材，减小连接过程中引起的偏心力，受力较大的杆件选用双角钢 后，螺栓由单剪变为双剪，减少了螺栓数量，减小节点板尺寸，还减小了风荷 载的作用力。合理设置斜材、辅助材，使主材、斜材“物尽其用”，使一根主材 中，各段同时达到或靠近满应力。斜材、辅助材与主材间的夹角不得小于1 5 。， 达到减小斜材受力、支撑主材的目的。在单斜材的桁架中，斜材的设置应使长 的杆件受拉控制，短的杆件受压控制，还应作单、双斜材的经济比较。合理选 择塔身的坡度，使塔身准线的交点尽量靠近外力( 导、地线负荷及风荷载) 的 重心，这样塔身主材受力合理，斜材受力最小。根据塔脚弯矩的作用力及拟选 用的主材规格，来选用合理的塔脚根开和塔顶宽度，大根开的塔身尽量采用大 交叉的斜材型式，主材可分5 6 格。使用k 型腹杆时，采用内置撑杆的v 形式。 整个铁塔，力求减少变坡次数，使变形均匀，减少突变。 3 5 3 隔面的设置 在铁塔塔身坡度变化的断面处，直接受扭力的横担、地线支架的端部的断 面处：塔顶、塔腿顶部断面处应设置横隔面。塔身坡度不变段内，横隔面设置 2 7 第3 章输电塔设计方法论述 的间距。一般不大于平均宽度的5 倍，也不大于4 个主材分段。隔面必须是一 个几何不变形的体系，可由剐性或柔性杆件组成。 3 5 ，4 节点的设计 节点布置，属于局部设计，对大角钢、组合角钢塔，节点的设计是很关键 的，节点设计是否合理，对塔重和受力都有很大影响。我们参考了意大利s a e 公司设计的5 0 0 k v 沙江线路铁塔，其铁塔的主斜材准线可交于一点，斜材准线 也可交会于主材边缘。斜材，辅助材尽可能和主材直接相连，允许采用双排或 三排螺栓，一个螺栓允许穿过3 - 4 层部件，力求取消节点板。尽量采用双剪的 连接形式，减少节点板的长度和螺栓数量。连接承受压力的单