工業(yè)設(shè)計論文角鋼塔構(gòu)件的標準化設(shè)計

　　角鋼塔設(shè)計中通常存在構(gòu)件數(shù)量眾多、計算受力復(fù)雜、計算量大等問題。為在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下最大程度上減少構(gòu)件的數(shù)量，本文基于美國通信塔規(guī)范TIA-222-G-2005提出采用“等強度”連接對構(gòu)件進行歸一化處理，減少構(gòu)件數(shù)量，簡化連接計算，實現(xiàn)構(gòu)件設(shè)計的標準化。在此基礎(chǔ)上，繪制和編寫各種不同規(guī)格的構(gòu)件等強度連接表格供設(shè)計人員選用和參考。

　　《安徽工業(yè)大學學報(自然科學版)》主要報道鋼鐵冶金、材料科學、化學化工、環(huán)境工程與環(huán)境保護、機械工程、機電一體化、自動化工程、信息工程、計算機科學與應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)、學科的基礎(chǔ)理論。獲獎情況：安徽省高校優(yōu)秀學報;華東地區(qū)優(yōu)秀科技期刊;中國科技核心期刊;安徽省高等學校優(yōu)秀學報一等獎。

　　1、 引言

　　角鋼塔由于角鋼取材方便、材料價格低廉、加工工藝成熟、安裝搬運難度低等諸多優(yōu)點，角鋼通信塔在國內(nèi)通信市場得到廣泛應(yīng)用。在國外市場上，由于角鋼塔構(gòu)件能夠成捆包裝，集裝箱裝運方便、構(gòu)件安裝工具要求簡單等優(yōu)點更是得到廣泛應(yīng)用。

　　角鋼塔在通信塔建設(shè)使用由來已久，其結(jié)構(gòu)設(shè)計由于構(gòu)件多、受力分析復(fù)雜等缺點目前主要采用整體空間矩陣法進行計算機計算，常用的有：Ansys、SAP2000、3D3S、PLS-tower、RISA-tower等有限元軟件。假定一種較為合理的角鋼塔立面隔面形式，角鋼塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸通過計算能夠能較快確定。但由于按照客戶定制化設(shè)計荷載進行設(shè)計，設(shè)計計算出來構(gòu)件的連接參數(shù)各不相同，同樣截面的構(gòu)件使用的連接螺栓數(shù)量直徑均不相同，導(dǎo)致構(gòu)件種類繁多，增加產(chǎn)品制作成本和運輸管理成本。同時設(shè)計經(jīng)驗不足的設(shè)計人員在構(gòu)件連接設(shè)計時由于計算的參數(shù)取值，導(dǎo)致構(gòu)件的連接強度存在一定的風險。

　　2、 構(gòu)件的計算

　　筆者所在公司角鋼塔生產(chǎn)主要針對非洲、拉美、東南亞等區(qū)域通信塔桅市場。由于美國是當前世界超級大國，在各個方面影響著全世界，包括通信建設(shè)的相關(guān)標準，由于第三世界國家基本上沒有自己的科學體系，因此相關(guān)的規(guī)程、技術(shù)標準基本上全盤照搬美國。筆者在本文中按照中國標準的材料，計算采用目前最新版美國通信鐵塔設(shè)計規(guī)范(TIA-222-G-2005，以下簡稱美標)進行論述。

　　在角鋼塔計算模型中，角鋼塔假定為整體桁架，所有構(gòu)件均軸心受力構(gòu)件。由于構(gòu)件在受壓作用下存在屈曲，構(gòu)件的承載能力遠小于其受拉承載能力，同時在實際角鋼塔計算中單個構(gòu)件的所受的壓力一般大于其所受拉力，故等強度的連接實際上就是是構(gòu)件最大承壓能力與構(gòu)件連接等強。

　　美標對本次論述的角鋼塔常使用的等邊角鋼構(gòu)件的受力連接計算有詳細的規(guī)定，具體如下。

　　a) 材料有效強度

　　對于常用的90度熱軋等邊角鋼，美標規(guī)定有效屈服強度與角鋼寬厚比和材料的屈服強度有關(guān)，并且角鋼寬厚比w/t與不允許大于25。具體計算式如下表1。

　　w/t公式

　　w/t < 0.47 F = Fy

　　0.47 < w/t < 0.85 F = [1.677 - 0.677 ] Fy

　　說明：

　　F -----角鋼有效強度(Mpa);

　　Fy-----角鋼材料屈服強度(Mpa);

　　E----材料彈性模量(Mpa);

　　w/t----角鋼肢厚比

　　0.85 < w/t < 25F = [0.0332 π2 E/(w/t)2]

　　b) 軸向承載力計算

　　角鋼軸向承載力為ФcPn：Pn = AgFcr，Фc = 0.85。

　　當λc≤1.5 Fcr = (0.658λ ) F ;當λc>1.5 Fcr = ( )F 。

　　式中：λc = ;Ag -----構(gòu)件總面積(mm2);F -----有效屈服強度(Mpa);E =彈性模數(shù)(Mpa);K -----有效長度系數(shù);L-----桿件側(cè)向自由長度(mm);r-----對彎曲軸的控制回轉(zhuǎn)半徑(mm);

　　c) 連接強度計算

　　在角鋼塔中構(gòu)件平面貼合，構(gòu)件連接主要承受剪力。連接節(jié)點的承壓強度和端承強度主要依據(jù)文獻[2]、[3]進行保證。連接的強度計算螺栓本身的抗剪強度。

　　在美標中螺栓抗剪力計算式如下：

　　Rv = 0.3 Fub Ab 注：為確保等強連接的可靠及通用性，考慮螺紋部分進入了剪切面。

　　式中：Rv-----抗剪強度;Fub-----螺栓指定最小抗張強度;Ab ----- 螺栓公稱光圓面積

　　3、主肢連接

　　角鋼塔主要提供移動通信數(shù)據(jù)及話務(wù)信號，高度大部分在60米以內(nèi)。在這個高度下，通信用角鋼塔的主材采用單角鋼就能滿足受力要求，另發(fā)往海外市場的角鋼塔為降低造價一般使用20” 集裝箱海運至目的地，為保證裝柜構(gòu)件的單件長度必須控制在5.8米以內(nèi)。通信角鋼塔主肢采用對稱支撐(如圖1)，構(gòu)件有效長細比系數(shù)K=1。主肢再分支撐一般不會多于4個，這樣構(gòu)件的計算長度就不長于1.5米。為保證構(gòu)件連接的通用性，采用計算長度1000列出常用主肢材料的等強選配螺栓表，具體如表2，對于其他計算長度可以參照此方法進行考慮。

　　2、考慮到角鋼單雙準線及接頭重量最優(yōu)化，涂黑部分建議為優(yōu)選第一系列。

　　4、 支撐材連接

　　支撐材主要是指立面橫桿、斜桿及再分構(gòu)件，為最大程度上減少風荷載受風面積和降低鐵塔重量，支撐材與主肢連接取消接點板直接與主肢相連接，這樣就要求支撐材的螺栓數(shù)量盡可能少。在角鋼塔重常用的三種隔面形式及長細比計算方式如圖2。

　　根據(jù)文獻5中P423表9-35知，角鋼塔常用的等邊角鋼各種回轉(zhuǎn)半徑關(guān)系為rz=0.65rx=0.65ry，根據(jù)筆者公司多年設(shè)計鐵塔桿件的統(tǒng)計分析，一般情況L1=(0.3-0.6)L。這樣就導(dǎo)致L1/rz> L/ ry。構(gòu)件長細比愈長，構(gòu)件的承載能力愈小。為保證等強度連接的可靠性，取長細比的統(tǒng)一計算式為L1/rz,根據(jù)美標規(guī)范按照長度500,1000,1500,2000,2500,3000，3500進行計算，控制構(gòu)件計算長細比在60-200之間對常用的支撐材(含輔助材)列出等強的選用表.

　　5、 結(jié)束語

　　本文通過對規(guī)范規(guī)定角鋼塔的連接計算方式介紹，提出構(gòu)件承載力與連接強度相等的“等強度設(shè)計”方法并編制常用材料的選用表格。對提高角鋼塔設(shè)計速度和準確性、減少構(gòu)件數(shù)量和規(guī)格，本文提供了一種新的思路和方法，等強度設(shè)計對非專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員具有指導(dǎo)和借鑒使用的作用。角鋼塔主肢及支撐桿同種型號同種連接螺栓數(shù)量及規(guī)格，這樣既便于放樣和構(gòu)件加工制作，又有利運輸、安裝、鍍鋅和通用構(gòu)件互相調(diào)劑，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟競爭能力，提高產(chǎn)品的標準化程度。

　　參考文獻：

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