關于鐵塔腹桿的抗彎作用和制造精度分析

葉德生（中國電建成都鐵塔廠，四川成都610000）

關于鐵塔腹桿的抗彎作用和制造精度分析

葉德生（中國電建成都鐵塔廠，四川成都610000）

本文主要論述了鐵塔腹桿抗彎作用與螺栓間隙及制造精度的關系。鐵塔在使用螺栓進行連接時，螺孔之間的間隙直接影響腹桿的抗彎作用，通常情況下，1～1.5mm的螺孔間隙可以使大約5%的腹桿失去抗彎能力。本文提出采用比較先進的設備來提高鐵塔的制造精度，主要為鐵塔數控自動化生產設備，這樣可以保持94%的腹桿具有抗彎能力，從而對鐵塔設計理念進行了創新，保證腹桿能夠有效參與到鐵塔抗彎作用上來。

鐵塔；腹桿；抗彎；制造精度

引言

無論鐵塔進行分散建造還是集中建造，從制造廠到建塔地一般具有很長的路途，并且在這個過程中地域復雜，經常要經過人跡罕至的地方，翻山越嶺，所以，這種狀況直接決定了鐵塔必須采取集約化的包裝方式，在建造塔的現場進行組塔。所以，只有采取螺栓連接的方法，并把螺栓和螺孔的配合精度進行降低處理，來增大它們之間的配合間隙，從而把很多主材、連接板和腹桿有效的連接在一起，在一定程度上提供了方便性。根據國家有關標準，螺孔的直徑要比螺栓的直徑大約1.5mm，這個標準保證了鐵塔的安裝工作順利開展進行，但是從另外一方面講，也對腹桿抗彎能力起到了一定阻礙作用。針對鐵塔頂部位移量，由于螺栓孔間隙引起的位移量可以達到50%，如果鐵塔比較高，可以增加10%，因此，鐵塔剛度很容易受到鐵塔腹桿制造精度影響。

1 鐵塔抗彎機理分析

在鐵塔機理算法中，有的算法把鐵塔比喻成“格構式綴條柱”，在這種模式中，格構式綴條柱代表鐵塔，綴條代表腹桿，肢件代表主材，按照鐵塔由腹桿和主材連綴而成的模式構成。其中，綴條主要是為了保證肢件之間的連接工作，并不起到一定的承載作用。然而，鐵塔和格構式綴條柱并不能等同處理，實際情況下，如果沒有腹桿支持鐵塔，主材不但沒有承載能力，在這種情況下根本就立不住。腹桿主要起到了三個作用：①保證四個主材連接在一起，從而保證其承載能力；②可以使供貨程度在4m以上的主材分段處理，從而降低了主材的抗壓穩定性，使其長度縮短，在一定程度上提高了抗壓穩定性；③由于很多主材之間連接使用腹桿進行斜向連接，使得固定成形，很難移動，從而使鐵塔在一定程度上可以承受更多的電線張力和風載荷。

另外，由于受到格構式綴條柱計算方式的作用，在進行鐵塔計算過程中忽略了腹桿的抗彎作用，所以必須保證腹桿的質量要比主材的質量好，一般是它的兩倍。所以，必須對鐵塔的抗彎機理進行明確，從而保證更多的腹桿發揮其作用。

根據相關標準，最大風情況一般控制整個塔身主材，斷邊導線情況一般控制塔身斜材狀況，另外，根據角度風吹狀況下風載荷分配表的分配情況，塔線風載處于90°時，風載荷處于最大情況。

圖1 塔體受彎情況變形圖

如圖1所示，為塔體受彎變形圖，此時為斷線張力狀態或者90°風狀態作用鐵塔。從圖中可以看出，在塔體受彎之前，四支主材的位置由四條豎直粗實線代替，四條腹桿的位置由四條斜粗線代替，主材和腹桿受彎以后的位置由雙點劃線代替，主材節長由上下兩層間的虛線間距代替。根據國家相關標準，如果載荷處于長期效應組合狀態下，對于直線型自立式鐵塔，在計算桿塔撓曲度時，每米不應該大于3mm，另外根據結構力學，主材和腹桿的夾角應該在40～70°之間，因此，如果主材為1.5m長，由于受到斷線張力彎曲和風載影響，上下點撓曲度為4.5mm。另外，鐵塔和地面的夾角設為3～4°，和地面接近垂直狀況，鐵塔節長為1.5m，則上下點變形為4.5mm，另外，對于主材，其前后夾角不大于10°，所以，對于變形量為4.5mm，可以看成處于水平位置。

對于腹桿，通常情況下以40～70°的傾斜度固定在兩個主材之間的空隙上，并使用螺栓固定，所以，通過順風腹桿產生的拉伸量和逆風腹桿產生的壓縮量再乘以夾角余弦，得出腹桿和水平面之間的夾角余弦得出夾角為24～54°。根據相關標準，螺孔直徑一般比螺栓直徑大1.5mm，如果鐵塔裝好以后，幾乎所有的腹桿和主材連接以后，其螺孔間隙和螺孔螺栓的直徑差相同，所以，在計算腹桿的拉伸壓縮量時，應該被螺孔之間的間隙抵消1.5mm，從而計算出實際壓縮量。

根據力學相關知識，由于外力使構件產生變形，變形以后，構件產生相應應力，這種應力使得構件進一步對外力產生抵抗作用。根據這一原理，腹桿由于受到拉壓產生變形，從而產生抗力，這樣來抵抗主材的彎曲變形，這樣就可以和主材同時產生抗彎作用。根據虎克規律可以計算得到腹桿抗彎力的大小，需要特別指出的是：處于斷線張力和垂直狀態下的兩扇塔面腹桿不具備抗彎能力。由于主材受彎變形以后，其具有正切關系，腹桿形成的正二面角為10°，變形以后，腹桿的長度基本沒有變化，然后再使用螺孔間隙抵消腹桿變形產生的不利因素，即使腹桿有部分變形，也會被全部抵消掉，所以，處于塔垂直方向的兩扇塔面腹桿都不具備抗彎能力。

2 腹桿抗彎概率計算

通常情況下，腹桿兩端的螺孔主要是通過螺栓連接在兩支主材上。另外，由于腹桿上螺孔之間的間距和主材上的螺孔間距都具有隨機性，所以，螺孔和螺栓之間的間隙大小以及相對位置也具備一定的隨機性。鐵桿腹塔一般采取下方托舉的方式進行安裝，但是由于其構件制造精度比較低，毛面配合和加工以及在運輸過程中很容易產生磕碰現象等，所以在建塔的時候，很容易出現腹桿螺孔中心距和主材螺孔中心距差距比較大的狀況，在這種狀況下，很容易出現極端狀況，這樣，主材上腹桿的其它安裝狀態處于這兩種極端狀態之間。

根據要求，腹桿兩端螺孔中心距應該大于主材螺孔中心距，并程軸向壓舉式進行安裝，對于受壓桿，腹桿已經通過主材上的螺栓進行軸向頂緊安裝，所以，其螺孔之間的間距幾乎為零。對于受拉桿，主材上的螺孔必須沿著腹桿進行軸向拉伸，并消除間距影響。另外，根據相關標準，如果螺孔總間隙比較大，就會全部抵消由于鐵塔撓曲度產生的腹桿桿向拉壓變形誤差，從而導致腹桿不能產生變形，就不能產生由于變形產生的抗彎能力。所以，為了能夠正確的評估整個腹桿抗彎能力，必須對不能產生抗彎能力腹桿進行相應概率計算。主材上四個間隙分別使用Q、R、S、T代表，其計算公式如下：

P（Q、R、S、T）=P（Q）·P（R）·P（S）·P（T）

由于螺孔兩側的弧段非常陡，所以進行腹桿安裝時，只要能夠離開軸向拉舉和軸向壓舉兩種狀態，就可以安裝成下方托舉狀態。

3 結語

（1）由于鐵塔腹桿的抗彎能力來自鐵塔，如果鐵塔受彎以后，主材就會對腹桿軸向產生拉壓力，這個力是腹桿對主材進行斜支撐，從而抵抗主材彎曲的一種反作用力。

（2）主材受力以后，對腹桿前段產生作用力，必須對螺孔的間隙進行消除處理，如果螺孔的間隙過大，主材并不能使腹桿受力時，腹桿就不能參與主材的抗彎作用。所以，整個鐵塔制造精度會對整個腹桿抗彎作用產生直接影響。必須根據相關知識進行概率計算。

（3）對鐵塔進行創新理念設計，從而可以使更多腹桿發揮抗彎作用，從而提高鐵塔抗彎力。根據相關知識，可以使用正四棱臺形式的塔體進行安裝，這種塔體可以對風載荷斷線張力產生很大抵抗作用，從而提高了鐵塔抵抗外力產生彎矩能力。

（4）在進行鐵塔設計時，應該明確主材腹桿連接時螺孔間隙對鐵塔的抗彎能力的影響，盡量減少螺孔之間的間隙，另外，在鐵塔進行制造時候，應該提高其工藝裝備，使用比較先進設備和設施，并合理提高鐵塔在制造過程精度，減少鐵塔連接時螺孔之間間隙，從而保證腹桿能夠有效發揮抗彎能力。所以，可以使用鉆孔鉆模方法并進行精細加工，保證螺孔之間間隙，并采用鐵塔數控自動化生產設備。

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[3]胡大柱.地震作用下輸電鐵塔破壞模式分析[D].沈陽建筑工程學院沈陽建筑大學，2004.

TM753

A

2095-2066（2016）35-0104-02

2016-12-2

葉德生（1982-），男，工程師，碩士研究生，主要從事鐵塔設計、放樣及制造等工作。