铁塔内力报告剖析.docx
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铁塔内力报告剖析
华北电力大学
计算报告
作业名称铁塔内力分析与计算
课程名称输电杆塔及基础设计
专业班级:
学号:
指导教师:
学生姓名：
成绩:
完成日期：
华北电力大学计算报告
一、题目内容及要求。
220kV上字型直线塔单线图如图1所示，全高H=26.2米，呼高H0=18.2米，重G0=26470.78N，设计条件见表1。
使用解析法计算七种工况下横担下塔身第一节间、地线支架、横隔、横担等主材和斜材或隔材的内力（任意选择一个部位）。
七种工况包括：
（a）运行工况1（大风工况）；（b）运行工况H（覆
冰工况）；（c）断上导线情况；（d）断下导线情况；（e）断地线情况;
（f）安装情况I;（g）安装情况u
111611.S6
（a）运行工况1（大风工况）塔头荷载图（
1415"巧
KN（b）运行工况n（覆冰工况）塔头荷载图
11.S6
（d）断下导线情况塔头荷载图（KN）
co
1136II備
（c）断上导线情况塔头荷载图（KN）
（f）安装情况I塔头荷载图（KN
（e）断地线情况塔头荷载图（KN
-71
（g）安装情况n塔头荷载图（KN
2335
1Jr字堆单线图
华北电力大学计算报告
ai设计条件
设计条件
电压
垂宜档跻
2201V
LGJ<300
GT-50
600
1000
>750
气象条件
最天凤速
事故
安装
风速（mw）
25
10
-
10
*5
40
40
i"：
innn）
■
5
■
-
■
二、计算思路。
1、静定平面桁架的内力分析
（a）塔架受力简图；（b）正面桁架受力；（c）右侧面桁架受力。
说明：
常略去与荷载方向相垂直的那两片平面桁架的作用，假定
只由与荷载方向相平行的两片桁架承受荷载。
2、单腹杆桁架。
（1）、主材受力分析及内力计算（截面法）。
主材受力简图如下：
华北电力大学计算报告
主材受力简图
如图（d）:
截取3-3截面，则主材内力为:
方法
Nu
J%
2ba
、G
4sin:
-
Pd及塔头塔
其中：
vMo3表示3-3截面以上所有水平力Pb、
身风压q对0点之矩。
VG表示3-3截面以上全部垂直载荷设计值
之和。
此法所求内力为近似值方法二：
利用Mo3=0求解
、Mo3—Nu3d=0
Kl+瓦M03
Nu3:
:
b3
注：
'•M'o3为除主材内力以外的外力力矩之和，特别注意所有外力取矩时由于单片受力大小均取1。
2
（2）、斜材受力分析及内力计算（截面法）。
以两弦杆延长线交点O为力矩点，建立力矩平衡方程，计算斜
lh>
内力。
斜材计算简图如下：
华北电力大学计算报告
斜材计算简图
斜材内力计算：
—/
其中：
aMo代表截面以上除斜材内力以外所有外力对O点力矩设计值之和。
3、双腹杆桁架。
主材和斜材计算简图如右图：
（1）、以截面以上部分为隔离体，以双腹杆交点为力矩点，建立平衡方程，计算主材的内力。
（2）、以两根主材延长线的
交点为力矩平衡点，计算斜材内力
双腹杆主材和斜材桁架计算简图
华北电力大学计算报告
主材内力为：
Nu=±2巴-三鼻，计算公式与单斜材桁架相同。
2bi4sina
其中：
vMo表示截面以上所有水平力Pb、Pd及塔头塔身风压q
对O点之矩。
G表示截面以上全部垂直荷载设计值之和。
此法所
求内力为近似值。
斜材内力为：
N
4di
其中一根斜材受拉力，另一根斜材受压力
'Mo代表截面以上
所有外力力矩设计值之和。
4、K型腹杆桁架。
主材和斜材内力计算图如右图：
（1）、以截面以上部分为隔离体，以斜材和水平材的交点为力矩点，建立平衡方程式，计算主材内力；
（2）、以两根主材延长线的交点为力矩点，并假定两
根斜K型腹杆主材和斜材桁架计算简图
材的内力大小相等，方向相反，建立力矩平衡方程式计算斜材内力
主材内力计算：
方法一：
比=±亘也-旦色，方法同双腹杆桁架计算方法。
2bi4sin。
华北电力大学计算报告
方法二：
以oi为取矩点
、Moi=0:
、Moi-Nui*biNui*bi=0
'y=0:
'gNui*sinfiNui*sin；：
i=0
联立方程并求解得：
送M'oi
Nui'-Nui''
bi
得到:
Nui'Nui''二
'G
sin；:
i
Nui「Mo「G
2bi2sin£i
Nui」心「G
2bi2sinE
斜材内力计算:
Ns-】：
。
，Mo代表截面以上所有外力力矩设计值之和，所
有外力为塔整体受到的外力。
2=±三严，瓦Mo代表截面以上所有外力力矩设计值之和，所
2d,
有外力为单片塔受到的外力。
其每个外力的值为整体塔上对应外力值的丄。
2
5、导线横担内力计算。
（1）、尖横担计算简图如右图：
在断线张力Td和垂直荷载G'd作
用下要承受弯矩
尖横担计算简图
华北电力大学计算报告
下平面角钢主材受力：
Ni_（gJ—E）
上平面角钢主材受力:
N_（。
律（"5）
Ai
式中Td—断线张力标准值；
G'd—断导线后垂直荷载标准值；叫一下平面受力分配系数；
11、Ai—下平面角钢的长度及其截面积；
12、A2—上平面角钢的长度及其截面积；
1.1—受力不均匀系数；Kc—断线张力冲击系数。
（2）、鸭嘴横担计算简图如右图：
由于挂线点偏心，在断线张力作用
下横担产生的扭矩可由前后两垂直面承受，垂直面端点的反力为：
T
Z二D鸭嘴横担计算简图
b
主材受力为：
下平面角钢主材受力：
弘「0严“WiKWTdH）
2hbbh
华北电力大学计算报告
上平面角钢主材受力：
2=%（竺丄+（1-叩即孙几^+空业）
2hbbh
二、计算结果。
1、计算25m/s风速和10m/s风速下塔身风荷载设计值。
（1）、计算25m/s风速下的塔身风荷载设计值。
塔头风荷载：
电压等级为220kV,高度为26.2m，粗糙程度为B类，查表2-5得风压随高度变化系数\=1.36
查表2-14得风荷载调整系数z=1.16
由型钢杆件组成的塔架讥=「3（1•），填充系数―AfA，塔头取
=1.2*0.3=0.36，塔头b/h=（（1.52+0.86）/2）/8=0.149,查表2-12得=0.56，构件体形系数,1.3
（1）=1.3*（1+0.56）=2.028
投影面积Af
Af-h（b1b2）
2
=0.36*8*（（0.86+1.52）/2）=3.43m2
塔头风压q=yW0Af/h
=（1.36*1.16*2.028*（25*25/1.6）*3.43）/8=536N/m
设计值为：
q=*Q*q=1*1.4*536=750N/m
塔身风荷载：
电压等级为220kV,高度为18.2m，粗糙程度为B类，查表2-5得风压随高度变化系数4=1.21
查表2-14得风荷载调整系数z=1.0
由型钢杆件组成的塔架讥=「3（「），填充系数―AfA，塔身取
=1.2*0.3=0.36，塔身b/h=（（1.52+3.035）/2）/18.2=0.127,查表2-12得=0.56,构件体形系数讥=1.3（1•）=1.3*（1+0.56）=2.028
投影面积Af
Ar卅&
2
=0.36*18.2*（（3.035+1.52）/2）=14.92m2
塔身风压qfWA/h
=（1.21*1.0*2.028*（25*25/1.6）*14.92）/18.2=786N/m
设计值为：
q='*Q*q=1*1.4*786=1100N/m
（2）、计算10m/s风速下的塔身风荷载设计值。
方法同
（1），计算结果如下：
覆冰工况：
塔头风压设计值：
qi*Q*q=1.0*1.4*86=120N/m
塔身风压设计值：
q='「*Q*q=1.0*1.4*126=176N/m
安装工况：
塔头风压设计值：
qi*Q*q=0.9*1.4*86=108N/m
塔身风压设计值：
q=t*Q*q=0.9*1.4*126=158N/m
2、取塔腿进行内力计算，主材编号1、2，斜材编号3、4。
工况荷
载图见前图。
杆塔内力计算结构尺寸简图如下：
:
二arcsin（18.2\18.220.762）-arcsin（2.8.2.821.522）=26.1°
-二arcsin（2.82.821.522）=61.50
^=d.5222.82*sin（26.10）=1.4m
d1=36.6*sin（26.10）=16.1m
杆塔内力计算结构尺寸简图
（1）、Excel计算结果：
（单位：
kN）
编号
工况
大风工况
覆冰工况
断上导线
断下导线
Nu1
113.96
19.06
-9.63
-9.63
Nu2
-147.19
-60.73
-23.6
-23.6
Ns3
13.99
2.19
-0.61
-0.61
Ns4
-13.99
-2.19
0.61
0.61
编号
工况
断地线
安装情况1
安装情况II
Nu1
-9.63
30.26
5.41
Nu2
-23.6
-67
-22.28
Ns3
-0.61
-0.64
1.13
Ns4
0.61
0.64
-1.13
特别说明：
由于计算断线工况时，是在没有计算断线张力作用下求得的主材和斜材的内力，与实际情况不同，所以本例中所有断线工况的结果一样，而实际情况则不同。
各个工况下主材和斜材的内力统计对比柱形图如下:
主材受力图
各类工况
各个工况下主材受力图
斜材受力图
各个工况下斜材受力图
lnNs3I
（2）、MatTowerV1.0计算结果:
（大风工况）
主材和斜材内力
Nu1
Nu2
Ns3
Ns4
F（kN）
124.52
-199.23
19.11
-20.08
计算结果表
大风工况下主材和斜材的内力统计对比柱形图如下:
主材和斜材内力统计图
主、斜材
（3）、大风工况下解析法和有限元分析方法的结果对比:
150
100
-150
-200
—
Nu1
Nu2
111
Ns3Ns4
NUI
对比图
主、斜材
1_1解析法
【丨有限元分析法
四、角钢的选取和校验。
1、按受压稳定性选择主材的角钢型号。
（1）、根据上表计算的数据，按最大轴向力进行设计。
由表得主材2受压，轴向压力最大值为147.19kN,记为
Nu2=147.19kN.
首先选取角钢型号为L125X12等边角钢，钢的型号为Q235,
L=3m.
轴向压力为147.19kN,按最小轴布置，计算长度取
（2）、压杆稳定性条件:
-N
mNA
N-轴心压力设计值，N；
A-构件截面毛截面积，mm2;
-轴心受压构件稳定系数;
f-钢材抗压强度设计值，Nmm2；
mN-压杆稳定强度折减系数。
角钢构件：
根据翼缘板自由外伸宽度
b与厚度t之经计
算确定:
当f^（f）lim=：
'202时，取mN=1.0；
mN=1.677-0.677
bt
f）lim
（3）、强度折减系数：
查型钢表：
角钢L125X12的b=125mm,t=12mm
华北电力大学计算报告
Q235的强度设计值为215MPa
b=125=10.42<
t12
202_202J=215
=13.8
所以mN=1.0。
（4）、稳定性折减系数：
查型钢表：
角钢L125X12的最小轴回转半径为:
r=2.46cm
计算长度为L=3m。
长细比K二KL/r=1.0*3000/24.6=121.95
Q235钢b类截面，查表L-2得=0.426。
（5）、稳定性条件：
查型钢表：
角钢L125X12的A=28.91cm2。
N（A）=147190（0.426*2891）=119.5MPa<1.0*215MPa
所以该主材满足稳定性要求。
为了满足经济性要求，选取较小型号的角钢重复上述过
程，直到选到合适。
2、按受压稳定性选择斜材的角钢型号。
（1）、根据上表计算的数据，按最大轴向力进行设计。
由表得斜材4受压，轴向压力最大值为13.99kN，记为
Ns4=13.99kN.
首先选取角钢型号为L63X8等边角钢，钢的型号为Q235，轴
向压力为13.99kN,根据塔腿结构及斜材布置，由表K-2得：
计算长
度取L=1m.
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（2）、压杆稳定性条件:
一N
m^A
N-轴心压力设计值，N
A-构件截面毛截面积,
mm2；
、轴心受压构件稳定系数;
f-钢材抗压强度设计值，Nmm2；
mN-压杆稳定强度折减系数。
角钢构件：
根据翼缘板自由外伸宽度
b与厚度t之经
计算确定:
lim二竺时，取mN=1.0；
bt
，:
；
（'him
f
计算长度为L=1m。
华北电力大学计算报告
=100/1.23=81.3<120
由附录J中的表J-1得长细比修正系数K为:
K=0.75+30/=0.75+30/81.3=1.12长细比K=KL/r=1.12*81.3=91
Q235钢b类截面，查表L-2得=0.614。
（5）、稳定性条件:
查型钢表：
角钢L63X8的A=9.52cm2。
N（A）=13990（0.614*952）=23.93MPa<1.0*215MPa
所以该斜材满足稳定性要求。
为了满足经济性要求，选取较小型号的角钢重复上述过程，直到选到合适。
五、螺栓的选取和强度校验。
1、主材连接螺栓的选取和强度校验。
（1）、
初选用4.8级M16螺栓，钢材选用Q235钢。
主材轴向力
147.19kN。
计算单个螺栓的受剪承载能力:
22
b■:
162
—fv=1170=34.18kN
44
入-受剪面数目;
d-螺栓直径，当剪切面在螺纹处时，则取螺栓的有效直径
fvb-螺栓连接的抗剪强度设计值，Nmm2。
（3）、计算单个螺栓的挤压承载能力：
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N：
"tfcb=1612370=71.04kN
7t-取同一受力方向承压构件厚度和的最小厚度和，mm;
fcb-螺栓连接的承压强度设计值，Nmm2。
（4）、螺栓数目的计算：
147.19
Nb.
in
-4.3
34.18
取n=6,螺栓为并列排列方式，角钢每个面3个螺栓，两个面共6个螺栓。
（5）、构件的强度校验：
Nr
f
An
An-构件的净截面积，取净截面积的较小者f-钢材抗拉强度设计值，Nmm2。
An的计算：
1-1截面的的净截面积：
代二A-md°t=2891-2*16*12=2507mm2
其中A由角钢规格表查到L125X12的A=28.91cm2
贝则：
心=NJ47190=58.71MPa：
：
f=215MPa
代2507
净截面强度满足要求，主材连接选择的螺栓合理
2、斜材连接螺栓的选取和强度校验
（1）、初选用4.8级M10螺栓，钢材选用Q235钢。
斜材轴向力为13.99kN。
华北电力大学计算报告
（2）、计算单个螺栓的受剪承载能力：
Nhn「d
22bJTX10
fv=1170=13.35kN
44
入-受剪面数目；
d-螺栓直径，当剪切面在螺纹处时，则取螺栓的有效直径fvb-螺栓连接的抗剪强度设计值，Nmm2。
（3）、计算单个螺栓的挤压承载能力：
N：
=d'tfcb=108370=29.6kN
mm;
vt-取同一受力方向承压构件厚度和的最小厚度和,fcb-螺栓连接的承压强度设计值，Nmm2。
（4）、螺栓数目的计算：
Nbi
min
13.99
13.35
=1.05
取n=2,螺栓为单列排列方式，角钢每个面1个螺栓，两个面共2个螺栓。
（5）、构件的强度校验：
一Ntf
An
An-构件的净截面积，取净截面积的较小者f-钢材抗拉强度设计值，Nmm2。
A的计算：
I-I截面的的净截面积：
An=A-nid°t=952-2*10*8=792mm2
华北电力大学计算报告
其中A由角钢规格表查到L63X8的A=9.52cm2。
贝卩：
-NJ3990=i7.66MPa：
：
f=215MPa
代792
净截面强度满足要求，斜材连接选择的螺栓合理。
六、结果分析。
通过计算发现两种方法在大风工况下塔腿斜材内力相差不大。
主
材内力受压杆内力相差有点大，误差出现的原因我觉得有以下几点：
（1）、在用表格计算时，数据只保留两位小数，每步的数据都是
近似算法。
（2）、matlab计算时没有考虑杆塔的自重。
风载荷作用点与实际
作用点不同，存在误差。
（3）、matlab计算时，坐标的建立不能以（0,0）建立点，否则
程序运行出错，坐标的计算也是取近似值，存在误差。
七、结论。
（1）、塔腿处主材受力与其它主材相比明显要大，因此铁塔设计
时应注意校核该处受力是否满足要求；
（2）、斜材总体受力较小，起到辅助作用；
（3）>matlab与Exsel计算结果基本吻合，可采用MatTowerV1.0
对铁塔内力进行分析，更方便直观。
八、参考文献。
1•陈祥和，输电杆塔及基础设计•中国电力出版社
2•陈丽丹，杆塔设计-自立式铁塔内力分析与计算ppt•中国南方电网
3.110〜500kv架空送电线路设计技术规程[DLT5092-1999].
202b363
当时，mN=1.677-0.677
ft.f
（3）、强度折减系数:
查型钢表：
角钢L63X8的b=63mm,t=8mm。
Q235的强度设计值为215MPa。
b=63=7.875<202二202=13.8t8,f.215
所以mN=1.0。
（4）、稳定性折减系数:
查型钢表：
角钢L63X8的回转半径为：
r=1.23cm
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