关于输电铁塔塔脚板厚度设计计算问题的探讨

关于输电铁塔塔脚板厚度设计计算问题的探讨王虎长罗命达（西北电力设计院西安710032）【摘要】借助于原东北院的《铁塔底脚板试验报告》研究内容，本文将《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154－2002）有加劲方型塔脚板在拉力作用下的底板厚度计算公式与我院使用的公式进行了对比，指出了规定公式不能全面反映工程中使用的所有有加劲方型塔脚板型式的设计计算模型，同时在一定程度上偏于保守的缺点。最后通过对试验报告结论的分析，给出了两类不同加劲方型塔脚板在拉力作用下的底板厚度计算推荐公式。【关键词】塔脚板，受拉，底板，计算厚度1引言在《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154－2002）（以下简称《规定》）9.5节中，分别对无加劲和有加劲塔脚板的强度公式进行了规定。其中，无加劲方型塔脚板底板强度的计算公式来源于意大利SAE公司。该公司对此计算公式曾专门做过力学试验验证。结果是在设计荷载作用下，底板的变形小于1.0mm；在极限荷载（即设计荷载乘以超载系数1.5）作用下，底板变形小于1.5mm。华东电力设计院在将此计算方法用于500kV阳淮线工程之前，在同济大学结构试验室做过类似的塔脚板力学试验，得出了无加劲塔脚板试验得到与意大利SAE公司试验相近的结果。详见华东电力设计院《铁塔塔脚板试验报告》（1998年11月）。《规定》中，对于有加劲方型塔脚板底板，受压强度按传统的计算公式计算；而受拉强度公式则通过对东北电力设计院的塔脚板力学试验推荐的计算公式进行修正而来，见公式（1），修正方法是参照了部分真型铁塔试验结果，并对计算公式中的系数作了适当调整。maxmin311.14TYtbf（1）或22minmax41.13btfTY其中：T：塔脚板上所作用的拉力，（N）；4：地脚螺栓个数；1.1：塔脚板底板厚度设计修正系数；bmin：底板各区段中的最小宽度，（mm）；t：底板厚度，（mm）；f：底板的设计强度（N/mm2）；Ymax：地脚螺栓中心至主角钢的最大距离，（mm）。按照我院多年来设计、实际使用和试验经验，我们认为，该受拉强度计算公式不能全面反映工程中使用的所有有加劲方型塔脚板型式的设计计算模型，同时也在一定程度上偏于保守。从工程实践来看，无论是安全运行的铁塔，还是事故倒塔的铁塔，或是试验最终超载破坏的铁塔，到目前为止，我们还没有发现因塔脚板强度不够而引起破坏的实例。因此，很有必要考虑重新修改的可能性。2铁塔塔脚板试验介绍最早，我院曾在330kV刘天关送电线路（1976年）设计中对塔脚板的设计进行了试验研究，并得出了对当时所使用的塔脚板设计受拉承载力应考虑的修正系数，如下：22[]3abTnkl（2）其中：Ta：塔脚板的计算受拉承载力，（kg）；n：地脚螺栓个数；k：塔脚板底板厚度设计修正系数，k＝1.2，由西北院试验刘天关试验所得值；b：支撑边宽度，（cm）；δ：底板厚度，（cm）；[σ]：底板的允许设计应力，为1600kg/cm2，试验用塔脚板底板材质均为A3钢；l：地脚螺栓中心至最远一个支撑（即加劲板）边缘的距离，（cm）。l与（1）式中Ymax的最大区别在于l对应靴板，而Ymax对应主角钢。后来，在1978年，东北电力设计院根据当时全国送电线路铁塔定型设计会议要求，规划了若干个塔脚板，并对其中的15个进行了试验研究。试验最终提出对公式（1）中的k值取值1.5的结论。由于我院在330kV刘天关送电线路设计中所进行的试验研究报告已无法查询，为了更好的论证k值的取值大小，有必要先研究东北院的《铁塔底脚板试验报告》（1978年10月）。如图1所示，从形式上来看，当时的试验用塔脚板分为三类：第一类为35kV～110kV所使用的两孔式轻型塔脚板（1号和2号）；第二类为220kV直线塔所使用的四孔式塔脚板（3～10号）；第三类为220kV耐张塔所使用的四孔式塔脚板（11～15号），此类与我院目前在实际工程中普遍采用的塔脚板型式相同。1～2号塔脚板3～10号塔脚板11～15号塔脚板图1试验用塔脚板型式由图1，我们可以注意到，三类塔脚板都借助较厚一些的钢板来代替塔腿主材，目的是是便于加荷。如此处理后的塔脚板的整体刚度似乎要比使用角钢稍差，但总体来说，影响不会太大。在试验中，对9块底板进行了应力测量（220kV直线塔4块、承力塔5块），对6块底板进行了变形测量（35kV～110kV常用型式2块，220kV直线塔4块）。试验对允许荷载的确定原则如下：1）通过加荷后荷载变形关系分析确定，在该（允许）荷载下，试件在弹性变形阶段内，变形呈线性关系，最大变形值不超过3mm。2）通过实测底板平均应力分析确定，在该（允许）荷载下σ≤1600kg/cm2，同时底板外观无任何异常现象。3试验结果及推荐公式3.1试验结果由于1～2号塔脚板系两孔型式，目前工程中基本没有应用，所以这里不再详细介绍其试验结果，只将重点放在3～15号塔脚板的介绍上。全部塔脚板试验结果表1试件规格地脚螺栓间距（mm）计算承载力（t）允许荷载（t）按变形按应力1－16×240×4501704.8512－2－20×240×4501707.5816－3－16×250×2501609.420－4－16×260×2601609.325205－20×260×26016014.635276－16×320×3202009.825207－20×320×32020015.240－8－16×390×3902409.620－9－16×400×4002808.720－10－16×420×4202809.2252011－25×330×33020038.1很大7012－32×330×33020062.0很大9013－32×420×42024066.0很大100荷载（t）9-29-18-18-27-27-13-23-1987654321807060504030201014－40×420×420240103.015012015－40×430×43028086.0128120注：表中的计算承载力系公式（2）的计算值。3号板荷载在0～20t时变形很小，荷载变形呈线性关系。从20t开始变形显著增大，到50t时变形达5.5mm。7号板荷载在0～40t时变形很小，荷载变形呈线性关系。从40t开始变形显著增大，到75t时变形达6.2mm。8号板荷载在0～20t时变形很小，荷载变形呈线性关系。从20t开始变形显著增大，到50t时变形达7.8mm。9号板荷载在0～20t时变形很小，荷载变形呈线性关系。从20t开始变形显著增大，到40t时变形达8.6mm。4～6号、10号塔脚板试验时作了变形及应力测量。变形测量是由试验机自动描绘的，只能看出荷载与变形的关系，由于变形绝对值太小，量不出具体数值；应力测量方面，由于缺乏经验，实测数据不全。11号塔脚板加荷由0开始，每级14t，56t后开始测量变形，变形一直很小，在140t时因焊缝破坏，试验终止，此时变形近0.35mm。12号塔脚板加荷由0开始，每级23.5t，94t后开始测量变形，一直加荷到158t，底板变形一直很小，在141t时变形仅为0.03mm，在158t时因焊缝破坏，试验终止。13号塔脚板加荷由0开始，每级23t，92t后开始测量变形，一直加荷到171t，底板变形为0.2mm，在171t时因焊缝破坏，试验终止。14号、15号板加荷由0开始，每级分别为39t、32t，一直加荷到156t及128t，均由于测试条件所限不能再加荷。此时，塔脚板变形几乎为0。下图为3、7、8、9号塔脚板的荷载变形图。图23、7～9号塔脚板的荷载变形关系图上图中，塔脚板序号后面所跟的编号为千分表的编号，如3－1，表示3号板的1号千分表。图中的圆点表示各板对应的允许荷载。从试验的允许荷载值与公式（2）的计算值的比值来看，1～10号为2.05～2.47，11～15号为1.46～1.83（注，11～15号比值系东北院建议采用承载力与计算值的比值）。其中，11～13号由于焊缝构造原因，在焊缝被拉坏致使试验终止前的变形均远小于1.0mm，且破坏时的试验荷载与计算值之比均大于2.0；14和15号则由于测试条件所限而不能继续加载）。从弹性变形情况来看，采用变形测量的3、8～9号板在计算荷载下的变形均小于1.0mm（见图2），而在允许荷载下的最大变形不超过3.0mm；11～13号则在焊缝破坏荷载下的变形全部小于1.0mm。据上所述，报告提出了塔脚板底板厚度的使用计算方法。即将允许荷载与公式（2）的计算承载力之比“偏于安全取为1.6”，则公式（2）的“修正系数变为21.61.21.5”。这样，底板的允许荷载计算公式即可变为如下形式：22[]1.53abTnl（3）若已知塔脚板所承受的拉力而求底板的厚度，则上式可变为：变形（mm）311.54[]aTlb（4）该公式就是我们一直在工程设计中所使用的公式，需要说明的是，我们所采用的塔脚板形式是与11～15号形式相同的。以上简要介绍了东北电力设计院《铁塔底脚板试验报告》的试验结果和塔脚板在拉力作用下的底板厚度计算公式。实际上，除了1和2号两孔塔脚板，对于3～15号塔脚板，若先不考虑其用于耐张塔还是直线塔，按照加劲板的形式，我们可以将其分为两类：第一类仍为3～10号，该类塔脚板的加劲板没有再使用加劲板加强，样式正好与《规定》中的有加劲板方形塔脚板相近；第二类为11～15号，属于对加紧板再采用加劲板来加强塔脚板。3.2推荐公式考虑到前面介绍无加劲方型塔脚板底板强度的计算公式是在设计荷载作用下，底板的变形小于1.0mm的变形要求条件，那么，对于《规定》中的有加劲板方形塔脚板形式（与上述第一类塔脚板相同），根据前述的在计算荷载作用下的变形小于1.0mm这一客观事实，我们可以将《规定》中的公式（1）的修正系数改为1.2，直接沿用报告中叙述的老的修正系数值，也就是：maxmin311.24TYtbf（5）至于第二类，由于试验因焊缝破坏而终止瞬间的变形均小于1.0mm，所以直接使用公式（4）是完全可行的，即：maxmin311.54TYtbf（6）需要说明的是，公式（5）和（6）直接由允许荷载和允许应力对应形式变为设计荷载和设计强度对应形式，稍偏保守。4推荐公式与《规定》公式的差异公式（1）与（5）的差异：使用公式（1）板厚增加（1.2－1.1）/1.1＝9％公式（1）与（6）的差异：使用公式（1）板厚增加（1.5－1.1）/1.1＝36％5使用推荐公式时应该注意的事项塔脚板焊缝需要按计算校核。从东北院试验报告看出，试件11～15号塔脚板在拉力较大的情况下，均出现了塔脚板焊缝先破坏，从而导致试验终止的现象。所有加劲板均应双面坡口并且焊透。焊缝构造的不合理也是试验中焊缝先行破坏的原因之一。当底板厚度≥25mm时，加劲板厚度应大于8mm。此值系试验报告推荐厚度，而且，试验用试件的加劲板厚度均不小于8mm。6结论及遗留问题（1）《规定》中给定的有加劲方型塔脚板的受拉强度计算公式不能全面反映工程中使用的所有有加劲方型塔脚板型式的设计计算模型，同时也在一定程度上偏于保守。从工程实践来看，无论是安全运行的铁塔，还是倒塔的铁塔、或者试验最终超载破坏的铁塔，到目前为止，我们还没有发现因塔脚板强度不够而引起破坏的实例。（2）针对上述两类有加劲板的方型塔脚板，可按下面的通用公式来进行受拉设计计算。maxmin314TYtkbf（7）式中，板厚修正系数k可按下面原则确定：对于第一类加劲板方型塔脚板形（加劲板不使用加劲板加强），k＝1.2；对于第二类加劲板方型塔脚板形（加劲板需使用加劲板加强），k＝1.5。（3）与推荐公式（7）相比，由《规定》中的塔脚板受拉计算公式（1）计算的第一类有加劲的方型塔脚板底板厚度要增加9％；公式（1）计算的第二类有加劲的方型塔脚板底板厚度要增加36％。（4）推荐公式对第一类加劲板的方型塔脚板修正系数k取值为1.2，由于我院对该种型式的塔脚板使用经验较少，还需要进一步研究或借助兄弟院的经验支持来完善工程验证。