输电钢管塔杆的挠度计算

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1、第21卷第2期武汉工业大学学报Vol.21No.21999年2月JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYApr.1999输电钢管塔杆的挠度计算赵峰李成玉(武汉科技大学)摘要:以薄壁杆件理论为基础,推导出输电钢管塔杆在复杂荷载作用下的挠度实用计算方法。关键词:钢管杆;薄壁杆件;挠度中图法分类号:TB12插接多边形钢管塔杆作为一种新的杆型一出现,就引起世界各国的广泛关注。目前日本、法国、美国等经济发达国家,已在10～500kV线路中较多的使用钢管塔杆。他们在设计、施工等方面做了大量的研究工作,积累了相当多的经验。插接多边形钢管塔

2、杆的特点是:冷压成型,插接式接头,通过法兰盘、地脚螺栓与基础连接,不打拉线,占地面积少,外形美观,施工、安装方便,能大大加快工程建设进度,运行维护工作量少,且完全防盗。特别当杆位处于城市狭窄地段时,其优越性更加明显。正在进行的城网改造工程为我国大量使用钢管塔杆提供了良好的契机。然而这种杆型在我国出现得较晚,设计、施工中有很多问题需要解决。本文将结合工程实际对输电钢管塔杆的挠度计算进行分析。1输电钢管塔杆的受力及变形钢管塔杆荷载包括永久荷载和可变荷载两类。永久荷载:在结构使用期间,其值不随时间变化,或者变化与平均值相比可忽略不计的荷载。对于钢管塔杆结构,杆身

3、自重、导、地线、绝缘子及其附件的重力荷载等均为永久荷载。可变荷载:在结构使用期间,其值随时间变化,且变化值与平均值相比不可忽略的荷载。对于钢管塔杆结构,风荷载,覆冰荷载、导地线张力荷载、安装检修时的附加荷载等均为可变荷载。将永久荷载和可变荷载进行组合可以得到多种荷载组合。图1输电钢管塔杆荷载示意图图2计算分析示意对于输电钢管塔杆来说,其受力状态可归为双向压弯构件。通过对截面中性轴分析可知,在一般情况下,截面中性轴并不垂直于总弯矩作用在截面上的迹线。要使截面中性轴与总弯矩作用在截面上的迹线相垂直,只有下述情况才有可能:(1)Mx=0;(2)My=0;(3)J

4、x=Jy。在前两种情况下,这是发生在一个主惯性平面内的平面弯曲。在第三种情况下,所有的主惯性轴都是主形心惯性轴(圆形、矩形、正多边形及其它),而在任何方向都是平面弯曲。根据上述,可得出一般结论:当总弯矩作用平面在截面上的截线垂直于两个主形心惯性轴中的一个时,则弯曲就是平面弯曲,其中性轴将垂直于该截线。由于在复杂受力的一般情况下,杆件除承受其它简单变形外,还受到两个主惯性平面内的平面弯曲。所以,一收稿日期:2000201210.赵峰:男,1958年生,副教授;武汉:武汉科技大学城市建设学院(430070).52武汉工业大学学报1999年4月般地说,杆件的弹性

5、曲线将是一条空间曲线。它在zy平面内的曲率等于Xx=1öQyz=Mxö(EJx)(1)而在zx平面内为Xy=1öQxz=-Myö(EJy)(2)221ö2若将曲率矢量Xx和Xy放在相应的坐标轴上,则弹性曲线的总曲率矢量就是它们的矢量和X=(Xx+Xy)。其方向与轴成角度,该角的正切等于:tanC=XxöXy=-(MxJy)ö(MyJx)由上式可知,弹性曲线只有在下述情况下才是一条平面曲线:沿杆的全长总曲率矢量对y轴倾斜同一角度,也就是说,乘积(MxJy)ö(MyJx)不随坐标而变。欲求任意截面形心的总位移,根据力的叠加原理,可以利用(1)式和(2)式所得到

6、的微分方程。将这两式积分,并根据边界条件求出积分常量,然后求出指定截面在两个主惯性轴x22和y方向的位移分量fx和fy,于是就可求得总位移值f=fx+fy(3)2输电钢管塔杆的挠度计算输电钢管塔杆是高柔结构,横截面为正多边形,主要承受水平和竖向荷载作用,且荷载分布比较均匀,因此近似认为其弹性变形曲线为平面曲线。可以利用(3)式先分别求得两个主轴方向的挠度,再求它们的几何和,即为总水平位移。先求fx。在计算输电钢管塔杆的挠度时,忽略竖向荷载产生的轴向变形,但其由于侧移而产生的弯矩(简称附加弯矩)对于挠度来说不可忽视。由图2可以得到每一段弯矩的表达式,用通式表

7、示为:nnMi(z)=-6fj(hj-z)-6gj(Dj-x)hi-1≤z≤hii=1,2,⋯,n(4)j=ij=i为了计算方便,偏安全取Dj-x=Dj-Di-1,上式可以简化为nnMi(z)=-6fj(hj-z)-6gj(Dj-Di-1)hi-1≤z≤hii=1,2,⋯,n(4a)j=ij=i采用梁弯曲时挠曲线的近似微分方程:EI(z)x″=-M(z)(5)nnn将式(4a)代入式(5)得:EI(z)x″=6fjhj+6gj(Dj-Di-1)-6fjz(6)j=ij=ij=i钢管塔杆的几何外形为锥形,杆身常分为数段,其壁厚也分数段变化,所以钢管塔杆的惯性

8、矩I(z)随截面高度z3和壁厚t变化。对于钢管塔杆而言,一般有R>