工業設計論文角鋼塔構件的標準化設計

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

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

　　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點，角鋼通信塔在國內通信市場得到廣泛應用。在國外市場上，由于角鋼塔構件能夠成捆包裝，集裝箱裝運方便、構件安裝工具要求簡單等優點更是得到廣泛應用。

　　角鋼塔在通信塔建設使用由來已久，其結構設計由于構件多、受力分析復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，角鋼塔結構構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計荷載進行設計，設計計算出來構件的連接參數各不相同，同樣截面的構件使用的連接螺栓數量直徑均不相同，導致構件種類繁多，增加產品制作成本和運輸管理成本。同時設計經驗不足的設計人員在構件連接設計時由于計算的參數取值，導致構件的連接強度存在一定的風險。

　　2、 構件的計算

　　筆者所在公司角鋼塔生產主要針對非洲、拉美、東南亞等區域通信塔桅市場。由于美國是當前世界超級大國，在各個方面影響著全世界，包括通信建設的相關標準，由于第三世界國家基本上沒有自己的科學體系，因此相關的規程、技術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計規范(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，所有構件均軸心受力構件。由于構件在受壓作用下存在屈曲，構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件最大承壓能力與構件連接等強。

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

　　a) 材料有效強度

　　對于常用的90度熱軋等邊角鋼，美標規定有效屈服強度與角鋼寬厚比和材料的屈服強度有關，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 -----構件總面積(mm2);F -----有效屈服強度(Mpa);E =彈性模數(Mpa);K -----有效長度系數;L-----桿件側向自由長度(mm);r-----對彎曲軸的控制回轉半徑(mm);

　　c) 連接強度計算

　　在角鋼塔中構件平面貼合，構件連接主要承受剪力。連接節點的承壓強度和端承強度主要依據文獻[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據及話務信號，高度大部分在60米以內。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，為保證裝柜構件的單件長度必須控制在5.8米以內。通信角鋼塔主肢采用對稱支撐(如圖1)，構件有效長細比系數K=1。主肢再分支撐一般不會多于4個，這樣構件的計算長度就不長于1.5米。為保證構件連接的通用性，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化，涂黑部分建議為優選第一系列。

　　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。

　　根據文獻5中P423表9-35知，角鋼塔常用的等邊角鋼各種回轉半徑關系為rz=0.65rx=0.65ry，根據筆者公司多年設計鐵塔桿件的統計分析，一般情況L1=(0.3-0.6)L。這樣就導致L1/rz> L/ ry。構件長細比愈長，構件的承載能力愈小。為保證等強度連接的可靠性，取長細比的統一計算式為L1/rz,根據美標規范按照長度500,1000,1500,2000,2500,3000，3500進行計算，控制構件計算長細比在60-200之間對常用的支撐材(含輔助材)列出等強的選用表.

　　5、 結束語

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

　　參考文獻：

　　[1]王肇民、馬人樂等. 塔式結構.科學出版社，2004

　　[2] 輸電線路典型設計工作組. 國家電網公司110~500kV輸電線路典型設計鐵塔制圖和構造規定. 2006

　　[3]電力行業規范. 送電線路鐵塔制圖和構造規定(DLGJ136-1997). 1997

　　[4]美國通信協會標準. Structural standard for Antenna Supporting Structure and Antennas(TIA-222-G). 2005

　　[5]李興榮、魏才昂等. 鋼結構連接節點設計手冊(第二版).中國建筑工業出版社，2005

　　[6]王肇民、U peil等. 塔桅結構.同濟大學出版社，1989