一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点.pdf

本发明公开了一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，包括靴板，设置有内包角钢、无填板四组合角钢，所述无填板四组合角钢的端部与靴板的端部对齐设置，所述无填板四组合角钢、靴板的外部设置内包角钢，所述内包角钢上段与无填板四组合角钢连接，所述内包角钢下段与靴板连接，所述无填板四组合角钢两两直接接触设置。本发明中的塔脚节点设置了内包角钢连接靴板和无填板四组合角钢，有效传递节点内力的同时增强了节点刚度，提高了节点安全性能。成功取消了常规四组合角钢构件间的所有填板，有效降低了整塔重量，减少了焊接工作，加工便利、施工方便，缩短了建设周期，节约成本。

1.  一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，包括靴板（1），其特征在于：设置有内包角钢（2）、无填板四组合角钢（3），所述无填板四组合角钢（3）的端部与靴板（1）的端部对齐设置，所述无填板四组合角钢（3）、靴板（1）的外部设置内包角钢（2），所述内包角钢（2）上段与无填板四组合角钢（3）连接，所述内包角钢（2）下段与靴板（1）连接，所述无填板四组合角钢（3）两两直接接触设置。

2.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述内包角钢（2）的安装方向与上部无填板四组合角钢（3）方向一致,与下部靴板（1）方向一致。

3.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述靴板（1）连接在塔脚板（5）上。

4.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述内包角钢（2）紧贴靴板（1）和无填板四组合角钢（3）。

5.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述无填板四组合角钢（3）的厚度与靴板（1）厚度相同。

6.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述内包角钢（2）上段采用连接部件（4）与无填板四组合角钢（3）连接。

7.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述内包角钢（2）下段采用连接部件（4）与靴板（1）连接。

8.  如权利要求6或7所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述连接部件（4）为螺栓。

9.  如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，其特征在于：所述内包角钢（2）长度大于或者等于被连接的无填板四组合角钢（3）的宽度。

一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点
技术领域
本发明是有关输电铁塔塔腿与地面基础连接的节点型式，尤指无填板四组合角钢输电铁塔采用的一种特殊塔脚节点型式。
背景技术
随着电网建设的快速发展,电压等级的逐步提高，多回路、特高压输电线路建设越来越多，伴随的杆塔荷载也越来越大，杆塔构件型式也正向多元化迈进，单角钢（含大角钢）已不能满足荷载要求。对于山区线路的大负荷铁塔，采用四组合角钢塔是最佳选择，调研目前四组合角钢的生产和施工情况，发现四组合角钢铁塔的填板数量多是铁塔较重、焊接量较大、加工和施工不便的主要原因。
伴随线路走廊日益狭窄，山区走线越来越多，杆塔所处的地形条件也越来越恶劣，线路施工材料运输能力限制给大规格铁塔构件运输也提出了新的挑战，在输电线路设计中成为一个亟待解决的难题。为更好发挥四组合角钢承载能力强，山区运输便利的优势，同时尽量克服四组合角钢填板多带来的弊端，在国内首次运用了取消填板的无填板四组合角钢铁塔，改变其连接方式。该方式具有塔重较轻、焊接量少、加工便利、施工方便的优势。无填板四组合角钢铁塔主要受力节点型式是其工程运用的关键，塔脚节点是铁塔与基础连接的关键点，其连接型式是其工程运用需解决的首要问题。
以往常规四组合角钢铁塔在塔脚板上方焊接钢板（专业术语称为“靴板”，下均按此简称）与四角钢构件通过螺栓连接，此方式塔脚节点刚度相对较弱，同时四组合角钢构件在每个节间均需设置与靴板相同厚度的填板进行构件连接，塔重偏重，增加焊接工作量，加工和施工不便。塔脚节点是铁塔与地面基础连接的关键点，也是整个铁塔组立的关键点，目前采用的此类塔脚节点靴板直接与四角钢主材相连，塔脚节点处无加强措施，刚度相对较弱，塔脚点安全性能储备相对较低。
目前常规四组合角钢铁塔，四肢构件间主要通过填板进行连接，在许多关键节点构造型式设计时均需充分考虑填板带来的诸多影响。常规四组合角钢塔脚处由四组合角钢与靴板通过螺栓连接，同时塔脚节点上部所有铁塔主材构件需设置与靴板相同厚度的填板。常规四组合角钢铁塔塔脚节点型式主要有以下几方面缺点：
（1）为了连接四组合角钢，塔脚上部铁塔主材各节间均需设置与塔脚节点处靴板相同厚度的填板，导致铁塔重量偏重，焊接工作量大，加工和施工不便；
（2）为了满足常规四组合角钢构件间连接的要求（构件间通过填板连接，存在填板厚度大小的缝隙），四组合角钢与塔脚节点靴板直接相连导致刚度突变的节点处无加强措施，其刚度相对较弱。
发明内容
针对现目前四组合角钢铁塔塔脚节点型式存在的问题和不足，提供一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，具体技术方案如下：
一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，包括靴板1，设置有内包角钢2、无填板四组合角钢3，所述无填板四组合角钢3的端部与靴板1的端部对齐设置，所述无填板四组合角钢3、靴板1的外部设置内包角钢2，所述内包角钢2上段与无填板四组合角钢3连接，所述内包角钢2下段与靴板1连接，所述无填板四组合角钢3两两直接接触设置。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述内包角钢2的安装方向与上部无填板四组合角钢3方向一致，内包角钢2的安装方向与下部靴板1方向一致。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述靴板1连接在塔脚板5上。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述内包角钢2紧贴靴板1和无填板四组合角钢3。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述无填板四组合角钢3的厚度与靴板1厚度相同。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述内包角钢2上段采用连接部件4与无填板四组合角钢3连接。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述内包角钢2下段采用连接部件4与靴板1连接。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述连接部件4为螺栓。
作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点，所述内包角钢2长度大于或者等于被连接的无填板四组合角钢3的宽度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
无填板四组合角钢塔脚节点与常规四组合塔脚节点相比，设置了内包角钢连接靴板和四角钢，有效传递节点内力的同时增强了节点刚度，提高了节点安全性能；在充分满足节点连接需要的同时，成功取消了常规四组合角钢构件间的所有填板，有效降低了整塔重量，减少了焊接工作，加工便利、施工方便，缩短了建设周期，节约成本，具有一定的经济性，为山区输电线路四组合角钢铁塔运用提供了便利。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为输电铁塔塔脚节点位置示意图正面图；
图2为输电铁塔塔脚节点位置示意图侧面图；
图3为现有常规四组合角钢塔脚节点连接结构示意图；
图4为图3中1-1的截面图；
图5为图3中2-2的截面图；
图6为图3中3-3的截面图；
图7为本发明中无填板四组合角钢塔脚节点连接结构示意图；
图8为图7中1-1的截面图；
图9为图7中2-2的截面图；
图10为图7中3-3的截面图；
图11为图7中4-4的截面图；
图12为无填板四组合角钢塔脚节点有限元实体仿真模型；
图13为无填板四组合角钢塔脚节点无填板四组合主材有限元实体仿真模型；
图14为无填板四组合角钢塔脚节点内包角钢有限元实体仿真模型；
图15为无填板四组合角钢塔脚节点螺栓有限元实体仿真模型；
图16为无填板四组合角钢塔脚节点靴板有限元实体仿真模型；
图17为无填板四组合角钢塔脚节点塔脚板有限元实体仿真模型。
附图标记：1为靴板、2为内包角钢、3为无填板四组合角钢、4为连接部件、5为塔脚板、6为填板、7为常规四组合角钢、8为铁塔塔身主材、9为铁塔塔腿主材、10为铁塔塔脚节点、11为一号角钢、12为二号角钢、13为三号角钢、14为四号角钢、15为第一倒角、16为第二倒角、17为第三倒角、18为角钢外侧面、19为角钢内侧面、20为靴板外侧面、21为为一号内包角钢、22为为二号内包角钢、23为为三号内包角钢、24为为四号内包角钢、25为截面外侧边、26为截面内侧边。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
输电铁塔塔身如图1、图2所示，铁塔塔脚节点10设置在塔腿底部，其上部依次为铁塔塔腿主材9、铁塔塔身主材8。
现目前，对于常规四组合角钢塔脚节点如图3所示，所述塔脚节点10处设置有塔脚板5，在塔脚板5上方连接靴板1，上部铁塔塔腿主材9为常规四组合角钢7。如图4、图5所示，所述常规四组合角钢7通过螺栓与靴板1相连，所述铁塔塔腿主材9内力通过常规四组合角钢7主材-靴板1-塔脚板5的顺利传递。为满足上部塔腿常规四组合角钢7连接的需要，此种方式四肢构件须设置大量填板6，所述填板焊接成十字填板，如图6所示，十字填板的设置增加了焊接工作量，同时使得铁塔较重，加工和施工均不便。
塔脚节点是铁塔与地面基础连接的关键点，也是整个铁塔组立的关键点，目前采用的此类塔脚节点靴板直接与四角钢主材相连，塔脚节点处无加强措施，刚度相对较弱，塔脚点安全性能储备相对较低。
针对以往型式的不足，本发明采用内包角钢2的方式加强塔脚节点刚度，提高节点安全性能，更重要的是取消常规四组合角钢主材构件连接所需的填板6，有效降低了整塔重量，减少了焊接工作，加工便利，施工方便，且节点布置型式简单。
如图7所示，无填板四组合角钢截面的铁塔塔脚节点结构，该输电铁塔无填板四组合角钢截面的塔脚节点10处设置塔脚板5，所述塔脚板5上部连接靴板1。
如图7、图8所示，本结构还设置有内包角钢2、无填板四组合角钢3，所述无填板四组合角钢3的端部与靴板1的端部对齐设置。所述内包角钢2设置在塔脚板5上方，包围在所述无填板四组合角钢3和靴板1的外部。如图9所示，所述内包角钢2下段通过连接部件4，例如螺栓，与靴板1连接。如图10所示，所述内包角钢2上段通过连接部件4，例如螺栓，与无填板四组合角钢3连接。所述内包角钢2的安装方向与上部无填板四组合角钢3和下部靴板1方向一致。所述内包角钢2紧贴靴板1和无填板四组合角钢3。
如图10所示，所述无填板四组合角钢3为一号角钢11、二号角钢12、三号角钢13、四号角钢14。所述一号角钢11、二号角钢12、三号角钢13、四号角钢14的截面形状为L型或者直角型。所述L型的边A的长度与边B的长度相同，也可以不相同。所述L型的边A的厚度与边B的厚度相同，也可以不相同。所述直角型的边A的长度与边B的长度相同，也可以不相同。所述直角型的边A的宽度与边B的宽度相同，也可以不相同。所述一号角钢11、二号角钢12、三号角钢13、四号角钢14设置倒第一倒角15、第二倒角16、第三倒角17，也可以不设置倒角。因此所述一号角钢11、二号角钢12、三号角钢13、四号角钢14的角钢外侧面18两两接触，拼合在一起形成十字形，直接采用螺栓进行连接。
所述无填板四组合角钢3的十字形边的厚度与靴板1厚度相同或者相当，保证无填板四组合角钢3的端部与靴板1的端部对齐，所述角钢内侧面19、靴板外侧面20处于同一平面，以便于内角包钢2紧贴靴板1的靴板外侧面20和无填板四组合角钢3角钢内侧面19，通过连接部件4，例如螺栓，实现连接。
如图9所示，所述内包角钢为一号内包角钢21、二号内包角钢22、三号内包角钢23、四号内包角钢24。所述一号内包角钢21、二号内包角钢22、三号内包角钢23、四号内包角钢24的截面外侧边25为L型或者直角型，其与无填板四组合角钢拼合的十字形外侧紧贴。所述一号内包角钢21、二号内包角钢22、三号内包角钢23、四号内包角钢24的截面外侧边25也可为与其被包围的形状相吻合的其他形状。所述一号内包角钢21、二号内包角钢22、三号内包角钢23、四号内包角钢24的截面内侧边19形状可以根据需要来设定。所述内包角钢为等边或不等边。
塔脚节点内包角钢的截面规格和连接长度、螺栓规格和数量均需根据受力计算确定，同时内包角钢长度不宜小于被连接的四角钢主材肢的宽度，例如不小于被连接的四角钢主材肢宽度1.5倍，有效保证连接的可靠性。
塔脚节点上部连接的十字型四组合截面构件不需设置其他构件直接采用螺栓进行连接。四组合角钢构件长度、宽度和厚度根据构件的内力大小计算确定同时满足构造要求，保证构件的安全性；连接螺栓亦需满足计算和构造要求，保证构件间连接的可靠性。
所述塔脚节点布置的连接型式及上部四组合角钢主材构件截面采用型式，还具有以下特征：
（1）              塔脚节点采用内包角钢型式，包括由其他截面组成角钢截面的型式（等边或不等边）；
（2）              塔脚节点内包钢长度、宽度和厚度根据节点处的内力大小和构造要求无级匹配，最大限度满足受力和构造要求；
（3）              塔脚节点上部四组合角钢构件采用无填板直接相连的型式，即四个角钢直接连接（或由其他构件组成的十字型截面）；
（4）              塔脚节点上部四组合角钢构件长度、宽度和厚度根据构件的内力大小和构造要求无级匹配，最大限度满足受力和构造要求。
本发明采用的无填板四组合角钢塔脚节点型式，借助有限元仿真模拟分析软件和真型试验设备，进行方案比选，确定了最佳塔脚节点连接型式。进行大量的有限元仿真模拟分析计算，对比分析无填板四组合角钢塔脚节点的可行方案，通过技术经济比较，确定采用的最优的方案。进行确定方案的真型试验验证，进行无填板四组合角钢塔脚节点验证和设计优化。
如图12所示，有限元分析主要考察此类无填板四组合角钢塔脚节点传力的合理性、节点相关板件及主要螺栓的受力性能。塔脚板节点有限元分析模型如图12所示，主材角钢通过内包角钢将荷载传递至靴板，靴板再通过其与底板连接的焊缝传递给塔脚板，再由塔脚板传递至基础。塔脚板、靴板均为Q345钢材，内包角钢与无填板四组合角钢、内包角钢与靴板、靴板与斜材均采用螺栓连接，此部分建模时采用有限元实体模型SOLID45单元（包括螺栓）；螺栓杆与螺栓孔之间、螺帽和钢板之间、角钢与角钢之间、底板与基础之间的接触均采用有限元分析的“面-面”接触单元；靴板和塔脚板之间为焊缝连接，建模时采用”GLUE”粘贴在一起，模拟焊接。
有限元分析时，底部施加约束，其余自由的边界条件，整体模型单元如图所示。分别考虑主材受拉和受压（斜材相应受力）可能存在的受力工况，模型中斜材受力近似加载在与之相连的靴板的斜面上。通过有限元模型计算结果（VON-MISE应力）考察节点的受力性能，节点各板件和螺栓受力情况如下。
如图13和图14所示，根据塔脚节点无填板四组合主材在轴向力(工程运用塔型受荷为例)作用下为例，按规范的强度计算公式可算得主材无螺栓孔时截面平均应力266.2MPa，有螺栓孔位置的净截面平均应力318.0MPa，内包连接角钢在有螺栓孔位置的净截面平均应力为246.7MPa。有限元分析的应力结果与按规范公式计算的平均应力基本一致，构件均处于弹性范围内，且无填板四组合主材和内包角钢的应力分布较为均匀。应力分布图结果显示，无填板四组合主材在开断处上方的应力最大，在主材开断与靴板对接连接处，主材内力相对变小，但此段内包角钢应力相对较大，主要是因为内包角钢在此已经有效地将断开主材的内力承担，再通过连接螺栓有效地向靴板传递，内包钢很好地承担了传递无填板四组合主材内力的作用。
有限元分析结果显示无填板四组合主材最大应力分布于螺栓孔周区域，内包角钢的最大应力位于整个内包角钢中部（即主材与靴板对接处），且最大应力点也分布于此范围内的螺栓孔周区域，主要是因为受力时，螺杆与孔壁挤压所引起，但其均处于弹性范围内。
如图15所示，连接主材角钢、靴板、外包角钢的螺栓应力图显示螺杆区域受力最大，主要是因为受力时，螺杆与孔壁挤压所引起。根据规范公式按实际受荷工况为例复核螺栓的抗剪承载力（根据主材拉力可求得一颗螺栓所受平均剪力），均小于螺栓和螺孔挤压的承载力，螺栓能有效传递被连接构件的内力，传力性能较好，该连接工作性能较好。
如图16所示，通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，靴板中应力在螺栓孔周及连接的边缘部位有应力相对集中外，其最大应力主要分布于靴板与底板连接区域，主要是因为内包角钢已将开断的主材内力传递到靴板，靴板同时有效地将内力传递到了塔脚板上，所以二则连接处为主要传力部分，为应力的主要承担部位；同时在斜材构件连接部位的应力稍大，是因为斜材传递来的内力所引起的，靴板的其余大部分部位应力相对较小，整体受力性能较好。应力分布规律较好地显示了靴板在传递主斜材内力至塔脚板过程中良好的工作性能。
如图17所示，通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，塔脚板上下表面在与靴板连接区域处应力较大，其余部位应力相对较小，塔脚板有效地传递了塔脚节点靴板传来的主斜材内力，并有效地向地面传递，其受力整体受力性能较好，在塔脚处有效起到了铁塔与基础间“承上启下”的作用。
通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，无填板四组合角钢的塔脚节点内包角钢、靴板、塔脚板，无论受拉还是受压，基本上都处于弹性状态，受力性能较好，能有效地将节点上方无填板四组合主材构件的内力传递至塔脚板，再通过塔脚板有效传递至地面，在铁塔与基础间起到良好的“承上启下”的作用。
相关术语解释：
塔脚节点指输电铁塔塔腿主材和斜材与地面基础连接点，即铁塔底部接触地面位置，如图1、图2所示。
常规四组合角钢采用四肢等边角钢组合成十字型截面，需通过填板和螺栓共同连接四肢角钢，目前国内输电铁塔四组合角钢均采用此截面型式，构件截面如图6所示。
无填板四组合角钢采用四肢等边角钢组合成十字型截面，但其无需通过填板连接四肢角钢，直接采用螺栓进行拼接，目前国内暂无，属首次运用，故称作“无填板四组合角钢”，构件截面如图11所示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。