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摘要：考虑到经济上的原因，设计人员在设计铁塔时常会使铁塔结构形成一些平面节点，而利用整体空间桁架法计算带有平面节点的桁架结构时其刚度矩阵是奇异的，即存在着无穷多组解。因此为得到其中一组正确解，我们就需要对这些平面节点进行处理。本文主要对输电铁塔结构平面节点处理方法展开研究。
关键词：输电铁塔；结构平面节点；处理方法
前言
随着“十二五”规划的实施进行，我国社会和经济必将继续迎来一个快速、持续、全面的发展阶段。电力行业历来就是一个国家经济发展的重要支柱产业，其中输电线路的建设是电力建设的重要组成部分。本文主要对输电线路铁塔结构原理、选型原则、节点问题以及相应的处理方法展开分析。
1输电线路铁塔结构原理和选型基本原则
输电线路铁塔又叫电力铁塔，按照一般形状来分可以分为：酒杯型、上字型、干字型、桶型和猫头型五种。按照用途来划分的话就是：耐张塔、转角塔、换位塔等，结构特点均属于空间桁架结构[1]。使用材料一般为Q235和Q345两种，杆件由单根等边角钢或者组合角钢组成。杆件之间是靠着螺栓受剪力而连接的，而整个塔就是由角钢、连接钢板和螺栓组成的。对于个别的部件如塔角等就是由几块钢板焊接成一个组合件的，不同的铁塔型式在造价、施工等方面的要求也是不同的，铁塔工程建造的费用大概是整个工程的百分之三十或者百分之四十。对于新建工程如果投资允许的话可以选用一到两种直线水泥杆，跨越、耐张和转角尽量使用角铁塔，这样的话材料就简单清晰、方便施工使线路安全水平得到提高。对于沿规划路建设的路线要采用占地少的铁塔，但是对大的转角塔由于结构上的原因很容易造成铁塔杆顶挠度变形，所以施工费用也会比角铁塔的费用贵一倍。直线塔就采用铁塔，而转角塔就用角铁塔方案会更加合理，这样就可以满足环境、投资和安全的一些要求。
输电线路铁塔作为输电线路中重要的组成部分其耗费量在整个线路工程中比重是很大的。工期大概占整体工期的一半，运输量占整个工程的百分之六十[2]。费用占整体费用的百分之三十五，由此可见输电线路铁塔结构设计的选型和施工优劣直接影响着线路工程的建设。当前基础型式只能采取浅埋式是因为地质的特殊性和埋深具有一定的局限性的因素，所以通过加大基础地板尺寸以及增加基础自重来满足上拔稳定是一个安全经济的做法之一。直线塔在埋的时候保持在2米左右，但是承力塔在埋时候深度应该控制在3～4米，从而可以减少地下水对施工产生的影响。
2输电铁塔结构平面节点存在的问题
计算机辅助设计已经成为了工业上最广泛使用的技术，但在输电铁塔放样的研究领域，目前还存在着几个主要的问题和困难，这些困难包括：一是输电铁塔是立体的三维结构，利用计算机对其进行放样处理时，需要考虑到数据的计算量以及数据存储的问题；二是链接的结构方式变化多样，在输电铁塔的结构中，部件之间可采取直接连接的方式，也可以采取过滤连接的方式，复杂多变的链接增加了放样环节的复杂性；三是铁塔的部件无固定的排列顺序，角钢与连接板交错连接，具有网状的结构，增加复杂性；四是大量的特殊加工工艺，包括火曲、切解、切肢等，这些处理方式需要在放样的过程中根据实际情况进行选择，这是放样环节的一个难点，五是连接部件的螺栓孔位分布没有规律性，螺栓L位关系到整个输电铁塔的安全性，也是放样程序需要考虑的重点问题，六是用户录入数据的管理，计算机系统要对放样环节进行处理，首先要能够将输电铁塔的相关信息读入系统中，而对于以图纸作为设计基础的放样环节，用户如何将数据合理高效地输入系统是一个难点问题。
3 输电铁塔结构平面节点处理方法
3.1 整体空间桁架法
整体空间桁架法就是将整个塔架视作为一个超静定体系，利用平衡条件和变形协调条件求解节点位移和杆件内力[3]。这种方法因为考虑了各杆件的变形协调关系，其计算模型与实际较符合，因而所得结果较精确。如果计算模型中存在平面节点，利用整体空间桁架法求解时会得到无穷组解。假定一个桁架式铁塔结构的刚度矩阵为[K]，节点位移为[δ]，节点荷载为[F]，则原结构模型的方程组为：
[K][δ]=[F] （1）
如果r为一个平面节点，节点r到节点s的杆件的方向余弦为∂、β、γ，则杆件rs的刚度矩阵[Krs]应为：
因此如果用Gx、Gy、Gz分别遍乘原结构刚度矩阵[K]中关于节点r的三行中的各列，或关于节点r的三列中的各行，然后再相加，得到的必定是一个全零的行向量或列向量，即说明这三行或三列存在着线性相关关系，因此(1)式中关于节点r的解有无穷组。
3.2 派生结构的杆系布置
近年来，由于城网建设的需要，同塔多回路并架已广泛使用。如某工程真型塔试验时，曾因输电塔杆结构横担受力后引起试验塔倒塔。经专家分析，一致认为与输电塔杆结构横担连接的塔身节间是K形三分段杆系，输电塔杆结构横担吊杆直接拉在K形三分段辅助材支撑的主材小节间点上，塔身主材在输电塔杆结构横担的拉拽下，位移过大，塔身主材不能在原设计条件下正常工作，而导致试验失败。只要将原K形斜材杆系中的塔身主材三分段下端的小节间与输电塔杆结构横担连接方式，改为塔身节间与输电塔杆结构横担连接的小节间，脱离原K形斜材杆系，独立自成一个节间，使杆系传力均由受力材传递，节与节之间互不干扰，就可以使结构正常工作。该设计按专家意见修改后，顺利通过了试验。这个实例证明，派生结构应认真注意杆系布置的合理性，才能保证铁塔的正常工作
3.3 分门别类地处理节点
输电铁塔的基本组成元素是节点，无论铁塔的结构如何复杂，最终都是由各个不同类型的节点构成的，而且铁塔节点大多数的连接形式是大同小异的。根据节点的不同连接形式，可以将节点分为无联接板节点和有联接板节点，其中无联接板节点又可以分为简单节点、偏移节点和节省联接板节点；有联接板节点又可以分为普通联接板节点、火曲联接板节点等。
根据以上思路确定的输电铁塔的放样步骤如下：
步骤I：建立输电铁塔节点放样的数据库，利用文件传输结合人工输入的方式，将单线图中的节点信息录人数据库表中，这些信息包括各个点的坐标、角钢的规格，螺栓的规格以及数量等。
步骤2：对杆件进行放样处理，以步骤l中建立的数据库为基础，对其数据进行处理计算，按照一定的数学模型将处理得到的数据再次存人数据库中，这些数据将作为计算机图形处理的数据依据。
步骤3：对其他连接元件进行放样处理，包括联接板等，利用杆
件放样处理后得到的结构，得到相关连接部件的坐标，最后根据要求确定其他连接部件的形状
总结
输电铁塔结构因为通常存在平面节点而使其用整体空间桁架法计算时形成的刚度矩阵是奇异的，因此为正确得到其节点位移和杆件内力必须对这些平面节点进行处理。依据原刚度矩阵去寻求解决办法的思路尽管并没有解决原刚度矩阵的奇异性问题，但正是用高度符合原计算模型的刚度矩阵求解出来的结果才更值得肯定，这个结果也就更有了坚实的理论基础。
参考文献
[1]胡国勇.输电铁塔结构平面节点处理方法研究[J].科技传播,2013,(10):116+114.
[2]广西输电铁塔腐蚀防现状调查与防治建议[J].樊雄伟,彭泉光.广西电力.2012(04).
[3]输电铁塔变形对输电线受力特性影响的探讨[J].曾根生.特种结构.2011(02).
论文作者:刘建华,张琦
论文发表刊物:《电力设备》2017年第10期
论文发表时间:2017/8/8
标签：节点论文; 铁塔论文; 结构论文; 桁架论文; 刚度论文; 平面论文; 节间论文; 《电力设备》2017年第10期论文;