談輸電塔螺栓連接設計

王 力 肖俊俊*

(安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽 合肥 230000)

談輸電塔螺栓連接設計

王 力 肖俊俊*

(安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽 合肥 230000)

對輸電塔連接螺栓的受力狀態和可能出現的破壞形式進行了分析，通過研究孔壁擠壓和螺栓剪切對節點螺栓個數的影響，提出采用臨界厚度來判斷螺栓連接控制因素的方法，總結了110 kV～500 kV輸電線路角鋼塔螺栓設計的注意事項和建議。

輸電塔，連接螺栓，孔壁擠壓，螺栓剪切，臨界厚度

0 引言

連接螺栓的計算在輸電鐵塔的設計中占有重要地位。本文擬結合最新的行業設計規范，通過對螺栓連接的計算理論、破壞形態等進行分析，總結110 kV～500 kV輸電線路角鋼塔連接節點設計的注意事項，并提出螺栓規格及材質的選擇、螺栓個數計算等方面的建議，供線路結構專業的同行參考。

1 輸電塔螺栓應用現狀

在以往的輸電鐵塔設計中，連接螺栓大多采用4.8級和6.8級的粗制螺栓。隨著高壓輸電線路的發展和設計標準的提高，輸電塔的荷載越來越大，高強鋼及與高強鋼相匹配的高強螺栓得到廣泛的應用。DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結構設計技術規定[1](以下簡稱“技術規定”)中規定：螺栓連接宜采用4.8級，5.8級，6.8級，8.8級熱浸鍍鋅螺栓和螺母，有條件時也可采用10.9級螺栓。據了解，6.8級螺栓的市場價格與4.8級和5.8級差別不大。因此，為了減少螺栓材質的種類、增大螺栓的安全裕度、優化連接節點的構造，設計人員一般較少采用4.8級，5.8級螺栓；8.8級高強度螺栓近年來在輸電線路桿塔上已應用較多，具有較豐富的應用經驗；10.9級螺栓由于強度很高，質量難以得到保證，特別是在酸洗、熱鍍鋅過程中容易出現氫脆等不良現象，在輸電塔上應用還不多。

目前，輸電塔連接螺栓設計時多采用6.8級和8.8級螺栓，一般M16，M20用6.8級，M24用8.8級。與一般鋼結構所使用的高強度螺栓不同的是，輸電鐵塔采用的8.8級高強螺栓實際上是滿足相應強度級別的高強度粗制螺栓，其加工標準較摩擦型或承壓型高強度螺栓偏低，計算公式與普通螺栓的相同。

2 輸電塔螺栓破壞形態

輸電塔螺栓的受力狀態主要有受剪和受剪拉2種，除掛線點、橫擔連接處等局部位置會出現同時受剪拉的情況，其余桿件連接的螺栓主要受剪。受剪螺栓連接破壞時可能出現五種破壞形式：1)螺桿剪斷；2)孔壁擠壓破壞；3)桿件被拉斷；4)桿件端部或孔與孔間的桿件被剪壞；5)螺栓桿彎曲破壞。這五種破壞形式，無論哪一種先出現，整個連接就破壞了。通常對前面三種可能出現的破壞情況，需通過計算來防止，而后兩種情況則通過構造加以保證。對于第4)種破壞形式，《技術規定》是通過限制孔間距及端距來保證。對于第5)種破壞形式，可通過限制橋疊厚度不超過5倍螺桿直徑來保證，對于輸電鐵塔螺栓連接而言，不會發生此種破壞。受剪拉螺栓兼有受剪和受拉兩種螺栓的受力情況，工作性能比較復雜，《技術規定》采用先考慮螺栓受剪性能，再用相關公式考慮受剪和受拉同時作用的綜合效果[1]。

3 受力特性分析

表1列出了鋼材和螺栓的孔壁承壓設計值。可以看出，就孔壁承壓而言，當采用4.8級螺栓時，對Q235級別的角鋼，由桿件控制，對Q345及以上級別的角鋼，由螺桿控制；當采用6.8級和8.8級螺栓時，無論對何種級別的角鋼，均由桿件控制。對于桿件材質為Q345級別甚至更高，在使用4.8級螺栓連接時，除了考慮螺栓的剪切強度校核外，還要考慮螺桿的孔壁承壓驗算。當使用6.8級或8.8級螺栓時，可不校核螺桿承壓強度。因此，為了減少設計工作量，避免出現差錯，不建議材質為Q345及以上級別的構件采用4.8級螺栓。

表1 鋼材和螺栓的孔壁承壓設計值

一般來講，輸電塔螺栓設計時，控制連接螺栓數量的因素有2個：孔壁擠壓和螺栓剪切。當桿件強度較高而螺栓材質級別較低時，螺栓個數主要受螺栓的剪切強度控制；反之，受桿件的孔壁擠壓控制。

根據《技術規定》，在螺栓受剪的連接中，每個螺栓的承載力設計值應取承剪和承壓承載力設計值中的較小者[1]：

承剪承載力:

(1)

承壓承載力：

(2)

(3)

根據式(3)可計算出不同材質構件在單剪和雙剪連接時的臨界厚度值。表2為不同桿件材質、螺栓規格對應的臨界厚度值。

表2 構件的臨界厚度值 mm

4 螺栓設計注意事項

1)對于110 kV～500 kV輸電塔而言，輔助材的壁厚大多數都小于8 mm，螺栓連接由構件的承壓承載力控制。在實際計算中，有些構件每端需要2個6.8級螺栓，連接節點需增加節點板才能滿足構造要求，這樣就造成節點構造復雜，安裝工作量增加；對于橫隔面，增加節點板還會產生“下凹”的情況，大大降低橫隔面的平面內剛度。此時，可以適當增加構件的厚度來減少螺栓的數目。經計算，加大構件規格增加的材料量與節點板的材料量相當。這樣可以明顯改善輸電塔的構造布置，增加構件的安全裕度。

2)DL/T 5442-2010輸電線路鐵塔制圖和構造規定[2](以下簡稱“構造規定”)中規定，L140及以上規格的角鋼宜采用雙包連接(內包角鋼及外貼板)，內包角鋼及外貼板的材質與被包的主角鋼材質一致，并給出了規格L128×8～L250×35角鋼推薦內包角鋼及外貼板應用的最小規格。目前，我國大多數電力設計院都采用東北電力設計院開發的自立式鐵塔內力分析軟件(簡稱“MYL軟件”)進行鐵塔設計和校驗。該軟件在計算主材雙包連接時，螺栓

個數是按單剪計算得到的。有時，設計人員會直接按軟件計算螺栓數目的一半并取偶數后作為雙剪連接螺栓的個數，其實這樣做是不安全的。當主材角鋼的壁厚大于表2中的臨界值時，螺栓連接由螺栓的承剪承載力控制，此時按軟件計算螺栓數目的一半并留有一定的裕度即可滿足要求；當主材角鋼的壁厚小于表2中的臨界值時，螺栓連接由角鋼的承壓承載力控制，如果仍然按照上述方法設計則偏于不安全，此時可按式(4)計算同時考慮螺栓雙剪和桿件承壓所需最少螺栓個數。

(4)

式中：m1——軟件按單剪計算出的螺栓個數；m2——同時考慮螺栓雙剪和桿件承壓所需最少螺栓個數。

3)螺栓連接設計時，原則上在滿足受力和構造要求的前提下，盡量選擇直徑小或材質等級低的螺栓，可提高連接節點的安全可靠性。

4)當螺栓數量較多時，節點板尺寸很大，容易與附近其他連接節點位置沖突，而且螺栓的受力很不均勻，兩端大而中間小，端部螺栓會因受力過大而首先破壞。《技術規定》中規定，當螺栓連接沿軸向受力方向的連接長度大于15d0(d0為孔徑)時，螺栓的承載力應按要求進行折減。以單排M20螺栓為例，當螺栓個數達到6個時，螺栓的強度需折減。因此，對于受力較大的桿件，可采用8.8級高強螺栓代替6.8級普通螺栓。根據對比分析，對于材質為Q345或Q420的角鋼，當規格小于L160時，采用6.8級M20螺栓較合適；當規格達到L160時，采用8.8級M24螺栓則較為合理。這在一定程度上可以降低塔身風荷載、節約連接節點耗鋼量和螺栓用量。

5 結語

1)就孔壁承壓而言，當采用6.8級和8.8級螺栓時，無論對何種級別的角鋼，均由桿件控制，可不校核螺桿承壓強度。

2)對于橫隔面等部位的輔助材連接，可適當增加構件的厚度來減少螺栓的數目。

3)可結合構件的臨界厚度確定螺栓連接個數的控制因素。

4)對于材質為Q345或Q420的角鋼，當規格小于L160時，采用6.8級M20螺栓較合理；當規格達到L160時，采用8.8級M24螺栓則較為合理。

[1] DL/T 5154-2012，架空輸電線路桿塔結構設計技術規定[S].

[2] DL/T 5442-2010，輸電線路鐵塔制圖和構造規定[S].

[3] 陳紹蕃，顧 強.鋼結構(上冊，鋼結構基礎)[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[4] 譚青海.高強度螺栓在輸電鐵塔上的應用[J].中國電力，2007(5)：39-42.

On the design of the transmission tower bolted

WANG Li XIAO Jun-jun*

(AnhuiHuadianEngineeringConsulting&DesignCo.,Ltd,Hefei230000,China)

Stress state of the connecting bolts on transmission towers and collapse modes that may come up are analyzed, by studying the effects on the number of bolt made by hole wall extrusion and bolt shear, a method using critical thickness to determine the controlling factors of the bolt is proposed, some considerations and recommendations about 110 kV～ 500 kV transmission line angle steel tower bolt design are also summarrised.

transmission towers， connecting bolts， hole wall extrusion， bolt shear， critical thickness

1009-6825(2014)22-0138-02

2014-05-16

王 力(1981- ),男,工程師； 肖俊俊(1985- ),男,工程師

TU852

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