概念設(shè)計(jì)在鐵塔優(yōu)化設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

李榮樺

廣西送變電建設(shè)公司，廣西南寧 530031

在鐵塔的設(shè)計(jì)過程中，概念設(shè)計(jì)貫穿著鐵塔的整體設(shè)計(jì)方法，其作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的主線路，可把與鐵路有關(guān)的基本理論知識(shí)、觀察研究結(jié)果、變形特征以及主要組成部分受荷特征等設(shè)計(jì)理念進(jìn)行鐵路設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化[2]。優(yōu)化設(shè)計(jì)鐵塔時(shí)可科學(xué)運(yùn)用概念設(shè)計(jì)，以便在布置鐵塔結(jié)構(gòu)時(shí)提高其合理性，可獲取清晰明了的傳力路線，有效掌控主要構(gòu)成部分的受荷特征，促進(jìn)整體結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，采用最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料數(shù)量，以達(dá)到鐵路設(shè)計(jì)的最終效果與目的。本文通過研究有關(guān)鐵路設(shè)計(jì)的成果，運(yùn)用實(shí)際例子分析鐵塔優(yōu)化設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)鐵塔時(shí)，要充分考慮到鐵塔的瓶口具體寬度、選擇塔頭與橫擔(dān)類型、塔身坡比和坡角、塔身斜材強(qiáng)度以及輔助材料強(qiáng)度的選擇和布置方法、選擇主要構(gòu)成部分處理形式、選擇可更換部分零件的截面、主要框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等因素。通過精確的計(jì)算后方可實(shí)行鐵塔設(shè)計(jì)，根據(jù)概念設(shè)計(jì)整合性研究與分析鐵路的各個(gè)環(huán)節(jié)和多種方面，確定各方面質(zhì)量都較為優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)施。

1 以K形為依據(jù)布置構(gòu)件

1.1 運(yùn)用K形布置構(gòu)件，可消除下部交叉斜材同時(shí)受壓的情況

如果處于下部的交叉斜材產(chǎn)生同時(shí)受壓現(xiàn)象，那么就會(huì)不斷增加計(jì)算的長度，處于相同壓力的條件下，計(jì)算規(guī)格也會(huì)隨之變大，用材數(shù)量逐漸增多。而構(gòu)建采取K形的布置模式，可使處于K形態(tài)下的交叉斜材避免同時(shí)受壓的情況，但如果在布置K 形材時(shí)，其位置擺放不恰當(dāng)，那么上述所說不僅無法達(dá)成，還會(huì)造成不可挽救的損害。

在布置K形材的過程中，要將其設(shè)于外部自然載荷的傳送點(diǎn)下方，才能有效避免處于K形材下方的節(jié)間發(fā)生同時(shí)受壓的情況，此舉不但可以減少材料的使用量，還能夠降低交叉斜材的規(guī)格。

1.2 運(yùn)用K形布置塔身橫隔面的主要節(jié)間結(jié)構(gòu)

按照有關(guān)建筑規(guī)定的結(jié)構(gòu)要求，若塔身的實(shí)際高度已經(jīng)超出了4個(gè)主材料的節(jié)間，那么就必須建造橫隔面[1]。而塔身在建造橫隔面的上下節(jié)間結(jié)構(gòu)時(shí)，所采用的布置形式將會(huì)對(duì)塔身材料的使用量造成直接的影響。在一般情況下，較為常見的橫隔面結(jié)構(gòu)布置。

在對(duì)橫截面進(jìn)行建造時(shí)，其上下節(jié)間的主要結(jié)構(gòu)應(yīng)按照K形實(shí)施布置，在很大程度上可促進(jìn)力傳遞達(dá)到一定的清晰度和簡潔度，大大減少了橫隔材料與斜材材料的使用量。

1.3 在設(shè)計(jì)鐵塔腿部隔面時(shí)，其以上第一個(gè)節(jié)間布置使用K形

對(duì)鐵塔腿部隔面進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)實(shí)施精密的計(jì)算以及不斷的試驗(yàn)，方能證明鐵塔腿部的受拉腿水平力小于受壓腿，從而可導(dǎo)致受拉和受壓這兩個(gè)基礎(chǔ)發(fā)生不同的位移，因此，鐵塔腿部的受拉斜材受力小于受壓斜材。

2 K形主要結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)板制造

在研究力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐的檢驗(yàn)結(jié)果證明，因?yàn)殍F塔本身斜材的末端部位在連接時(shí)已存在了不公正現(xiàn)象，所以斜材在受到一定壓力的情況下，會(huì)出現(xiàn)彎扭現(xiàn)象，以至于失去固有的穩(wěn)定性，使得結(jié)構(gòu)末端部位發(fā)生相對(duì)應(yīng)的位移。

在上下結(jié)構(gòu)中的K形材處于節(jié)點(diǎn)板的位置上，在受荷后出現(xiàn)彎扭變形的情況，以至于塔身的水平面產(chǎn)生位移。研究材料的各種外力可知，節(jié)點(diǎn)板處于內(nèi)平面時(shí)，其剛度相對(duì)較大，而處于外平面時(shí)，則相應(yīng)的會(huì)減小，所以為了預(yù)防建筑構(gòu)建的過程中出現(xiàn)過大的末端部位移位而形成結(jié)構(gòu)損毀，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)板的外平面剛度[4]。節(jié)點(diǎn)板的兩側(cè)做相應(yīng)的高度卷邊工作，在不同程度上均可增加節(jié)點(diǎn)板外平面的有效剛度，不僅可使材料用量得到降低還能確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

3 選擇主要組成部分的規(guī)格

處于輸電線路中的鐵塔，其主要構(gòu)成部分大多數(shù)是運(yùn)用兩邊相等的角鋼亦或是鋼管。對(duì)鐵塔計(jì)算模型進(jìn)行研究分析，可將鐵塔設(shè)置成空間建筑桁架結(jié)構(gòu)，主材料與斜材料則屬于鐵塔軸心的受力平衡桿。依照有關(guān)規(guī)定，軸心受力組成部分的具體計(jì)算公式如下：

強(qiáng)度的計(jì)算：N/An≤m·f（用①表示），在強(qiáng)度的計(jì)算公式中，N表示鐵塔軸心的拉力；m表示組成部分的強(qiáng)度折減系數(shù)；An表示組成部分凈截面的面積；f則表示有關(guān)鋼材強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。

受壓構(gòu)成部分的穩(wěn)定計(jì)算：N/（φ·A）≤mn·f（用②表示），在公式中φ表示鐵塔軸心受壓構(gòu)成部分的穩(wěn)定系數(shù)；A表示構(gòu)成部分毛截面的具體面積；f則是壓桿穩(wěn)定性強(qiáng)度的折減系數(shù)。

由公式①、公式②可以看出，構(gòu)成部分的設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般都和末端部位相連接的狀況以及斷面情況相關(guān)聯(lián)，并非一定的數(shù)值，在相應(yīng)狀態(tài)下設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)該有所折減。在鐵塔中，受壓穩(wěn)定后會(huì)掌控主要材料和斜材料，并且占據(jù)了大多數(shù)鐵塔總重，所以，在公式②中的mn取值，在很大程度上會(huì)影響主要構(gòu)成部分的正確選材以及鐵塔的總重。關(guān)于計(jì)算mn的取值方式。不同的材質(zhì)區(qū)域劃分條件可通過計(jì)算得出。

根據(jù)區(qū)域劃分條件的數(shù)值，構(gòu)件材質(zhì)的規(guī)格在相同的情況下，其強(qiáng)度等級(jí)相應(yīng)的就會(huì)越高，其區(qū)域劃分條件的取值相對(duì)會(huì)降低，也就是說材質(zhì)具有越高的等級(jí)，材料強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值就會(huì)受到其徑厚比和寬厚比這兩者明顯的影響，而在鐵塔中，其最為重要的受力構(gòu)件大多數(shù)是使用高材質(zhì)。由此可以看出，主要構(gòu)件若具有高材質(zhì)和較大受荷，那么在選擇主要構(gòu)件的規(guī)格中，應(yīng)選擇設(shè)計(jì)強(qiáng)度完好的規(guī)格，通過其截面，充分將構(gòu)件具有的高強(qiáng)度性能發(fā)揮出來，以確保構(gòu)件在受力過程中的可靠性和安全性，同時(shí)材料可以得到合理的運(yùn)用。

在鐵塔主要構(gòu)成部分中，其較常使用的角鋼規(guī)格有部分屬于寬度厚、肢厚小的規(guī)格，將其進(jìn)行常規(guī)的對(duì)比，在通過實(shí)際的計(jì)算以及實(shí)踐檢驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)對(duì)鋼管組成部分來說，當(dāng)徑厚比≤50規(guī)格時(shí)，可科學(xué)的運(yùn)用組成部分的截面特征，同時(shí)還能充分發(fā)揮力學(xué)性能。

觀察研究鐵塔組成部分的主要受力特征以及布置材料的情況，由于塔身和橫擔(dān)的主材料以及重要受力斜材等受力較大，可以確保結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)于鐵塔的可靠性來說具有十分重要的作用，在建筑鐵塔中一般會(huì)選擇使用具有高材質(zhì)、大截面的組成材料，因此，相對(duì)的材料使用量也會(huì)占據(jù)較高的鐵塔總重比例[3]。此外，還應(yīng)充分考慮到重要組成部分在設(shè)計(jì)強(qiáng)度上出現(xiàn)的折減問題，盡可能選用設(shè)計(jì)強(qiáng)度無法實(shí)施折減的規(guī)格并加以使用，同時(shí)運(yùn)用組成部分的截面特點(diǎn)、將力學(xué)性能中的高強(qiáng)構(gòu)件發(fā)揮出來，使結(jié)構(gòu)得以安全運(yùn)行，并取得作為經(jīng)濟(jì)的材料使用量。

4 結(jié)論

在鐵塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，概念設(shè)計(jì)處于基本的理論知識(shí)之上，同時(shí)也屬于有關(guān)研究成果的前提。在實(shí)施復(fù)雜多樣的計(jì)算數(shù)據(jù)之前，應(yīng)合理運(yùn)用有關(guān)的基礎(chǔ)原理與研究方案、鐵塔結(jié)構(gòu)的實(shí)踐檢驗(yàn)結(jié)果、重要組成部分材料和選擇合適規(guī)格、建造方案的運(yùn)用等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)桿塔和模型。通過在積極的優(yōu)化設(shè)計(jì)鐵塔過程中概念設(shè)計(jì)的運(yùn)用，在極大程度上可以合理的布置鐵塔結(jié)構(gòu)，使傳力的主要線路更為清晰明了，對(duì)重要組成部分的受荷特性進(jìn)行掌控，促進(jìn)結(jié)構(gòu)的安全性能和可行性能，有效的降低材料的使用量，使得設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量得到一定的提高，同時(shí)在輸電線路的整體耐用性周期管理中，充分發(fā)揮了積極的重要作用。

[1]楊杰，張敏，李紅培.概念設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的重要性和實(shí)現(xiàn)方法[J].四川建筑，2010(4)：75-76.

[2]左詠梅,李俊玲,高洪俊.多高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)應(yīng)用與分析[J].煤炭工程，2009(12)：30-31.

[3]梁愛莉.對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].科技傳播，2009(11)：12-13.

[4]尹成龍，滕佑水，朱林.傳感器概念設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009(1)：38-39.