浅谈等边角钢的准距、准线和螺栓排列标准化

学术   2024-11-10 12:01   贵州  

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上文我们主要讲述了等边角钢的重心距、重心线和偏心受力等相关概念,具体详见浅谈等边角钢的重心距、重心线和偏心受力一文。本文紧接着上文进一步讲述等边角钢的准距、准线和螺栓在角钢上的排布规则等相关内容。

角钢准线:沿角钢轴向通过螺栓中心的线。

角钢准距:角钢准线距角钢背的垂直距离,通常分为单排、双排和多排准距。

输电铁塔从蓝图到实体大致分四个阶段:
(1)铁塔计算和司令图设计阶段
本阶段仅涉及铁塔的单线图,主要工作内容是铁塔的受力计算和所组成杆件和螺栓的确定。
(2)铁塔二维加工图绘制阶段
 本阶需根据司令图绘制铁塔的二维加工图,需要明确很多细部构造,比如螺栓在杆件上的排布往往需要标准化,既要满足受力的要求,又要满足构造的要求。需要明确螺栓的标准间距和准距,使得不同单位所绘制的铁塔加工图是行业能通用的,行业为此制定了输电线路杆塔制图和构造规定(即制图规定)供相关单位参照执行。
(3)铁塔三维放样和下料加工阶段
本阶根据二维铁塔加工蓝图进行三维实体放样,检验二维图纸中是否存在碰撞等干涉问题。确认无误后向车间下达加工单,进行角钢的下料和制孔等工作。
(4)铁塔现场组立阶段

本阶根据二维铁塔加工蓝图和铁塔组装图进行现场拼装和组立。

可见,阶段(1)-阶段(4)均涉及到铁塔的详细构造和螺栓连接规则。其中杆件上螺栓的标准间距和准线是非常重要的基本概念。合理的角钢准线能够保证阶段(1)中铁塔计算受力的合理性;能够保证阶段(2)中所绘制图纸的合理性;能够保证阶段(3)中铁塔加工的可批量性和效率;能够保证阶段(4)中铁塔的可安装性,减少返工报废。




一、关于准距、准线的基本概念
   从理论上讲,结构的最佳受力状态是所有杆件的受力中心线与其重心线重合。但是前文已经说过,要完全做到这一点是不可能的。主要原因是等边角钢与圆形钢管等规则截面不同,其仅有一个对称轴,重心处于该对称轴上,杆件与杆件的连接一般是通过其两个肢进行连接,导致斜材和主材的重心线往往不相交,而上下段主材的重心也未必重合,往往存在错芯的情况。我们来研究下最接近最佳受力状态的主材连接处的情况,连接螺栓群的形心的最佳位置是在重心处吗我们通过以下例子来进行说明:

现以塔身上下两段间双剪(内包外贴)连接情况为例。上段材规格L180X14,在制图规定上查得其重心距为45mm。下段主材规格为L200X16在制图规定上查得其重心距50mm,中间以内包角钢外贴板构造相连接。将上段主材的截面及其主要的力学参数绘制于下图所示。其中:准距为双排螺栓的第一排螺栓至角钢背的垂直距离,螺栓群中线为螺栓群形心的连线。

从上图可知,欲确定连接螺栓的排布需要确定准距和螺栓的横向间距最合理的螺栓排布应使得连接的合力线尽量的接近重心,以减小偏心。而显然,连接的合力线位置取决于两侧螺栓群中线的位置,我们将螺栓群形心相连接取中点即为连接的合力点。那么显然我们很容易回答前面我们提出的问题,连接螺栓群的形心的最佳位置是在重心处吗答案是肯定不在重心处!而在重心与对称轴垂线(即角钢的最小轴)与角钢肢的交点处附近,近似来说可以认为在角钢的肢中线附近。

从以上分析可知,最佳的螺栓群中线应在角钢肢中线附近,那么我们确定了螺栓横向间距之后,即可确定各排螺栓的准距。螺栓的横向间距一般需结合纵向间距、螺母的安装、减孔值等构造要求确定。而第一排准线除了和上述原则有关外,还需要考虑其与被连接角钢内弧的位置的关系,应尽量减少压弧,尽量减小角钢的切肢、切角量。通过以上原则,制图规定给出了各种规格角钢的准距和螺栓的标准间距表。




二、轴力在塔身上的传递

 前面我们通过一个连接示例讲述了准距的确定及其意义。下面我们仍根据上述示例对轴向力在塔身主材中的传递进行分析。

上段L180X14,在制图规定上查得其准距为65mm。下段主材为L200X16准距为75mm,中间以内包角钢外贴板构造相连接。
假设上段主材传递下来的轴力为N,显然该力在远离连接时的作用点在角钢的重心处。当N传递至连接处时,若忽略连接板和主材之间的摩擦力,则N将通过连板传递给螺栓,螺栓通过对孔壁的挤压反作用于上段主材,此时主材单侧螺栓的合力作用点为该侧螺栓群的形心,该点在距主材外皮92.5mm处,考虑两侧螺栓形心之间连线的中点即为合力的作用力,在距离外皮92.5/2=46.25mm处,而上段的N则作用在Z0=50.5mm(设计手册精确值)处。即上段的上下力之间产生了4.25mm的偏心距(单侧),该处将产生一个NX4.25mm的偏心弯矩(单侧)
轴力N通过连接接着往下传递,传递至下段的力P和上段的力N是相等的。内包钢和外贴板通过复杂的传力过程将力传递给下段的螺栓,螺栓通过孔壁传递给下段主材。同样,主材一侧螺栓的合力P在下段螺栓的形心点在距主材外皮105mm处,考虑侧螺栓形心之间连线的中点即为合力的作用力,在距离外皮105/2=52.5mm处,而下段的P则作用在Z0=55.4mm(计手确值处。即下段的上下力之间产生了2.9mm的偏心距(单侧),该处将产生一个PX2.9mm的偏心弯矩(单侧)

 我们从以上分析可以看到:

(1)从绝对角度来说,由于角钢是非规则截面,在肢尖处和内楞处均有弧形过渡,其重心公式较为复杂,没什么特定规律,同一个肢宽不同肢厚其重心位置均不同,准确的重心距可通过查等边角钢参数表获得。如上所述,不管准线如何确定,受力中心均不可能与重心完全重合,这就导致连接处产生偏心弯矩是绝对的。

(1)从相对角度来说,这种偏心弯矩往往又不会太大。从上例可以看到,如按行业规定取重心距,下段的重心距为50(理论值为55.4),而连接的螺栓群形心距为52.5,由此在地螺中心处产生了2.5mm的偏心距,该偏心距的数量级是可以被接受的,如若追求0偏心距,杆件上的螺栓位置就会杂乱无章,而且使得制图较为困难,是完全没有必要的。



三、准距在铁塔结构图中的应用
 经过前面的叙述我们不难发现,重心线是角钢的固有参数,制图规定将角钢的重心距取整化仅是使得铁塔的基础根开规律化,整数化,对非塔腿处主材以外的杆件,制图规定中的重心线是意义不大的。而螺栓在角钢上的标准间距和准线是人为确定的。在将司令图绘制成结构详图过程中,需要采用这些标准化了的参数进行详图的绘制。这些参数的标准化是具有重大意义的,主要的意义如下:
(1)标准化了的螺栓间距和准线,是经过了力学分析的,它使得标准化后的连接的偏心较小,小到对结构几乎无影响;
2)标准化了的螺栓间距和准线,统一了行业内从业人员的集体意识,按标准化参数绘制的结构详图不会因个人的差异而有太大差异,设计人员对结构图的理解和认识不会因为个人的差异而有太大差异,大大的推动了行业技术的发展。
 本节就以典型铁塔结构图中的几个示例来进行简要说明,以深化大家对准线的认识。
(1)定位轴线  在构图中用于确定杆件相对位置的定位线。
(2)角钢准线  沿角钢轴向通过螺栓中心的线。
(3)角钢准距  角钢准线距离角钢背的垂直距离,通常分单排准距、双排准距和多排准距。
(4)负头  杆件端头距定位轴线交点的距离。
(5)切角  为满足铁塔构造要求切去角钢部分肢尖。
(6)切肢  为满足铁塔构造要求切去角钢部分肢背。
(7)铲背  为保证角钢连接紧密,将内贴角钢背棱角部分铲为光滑圆弧形。
(8)清根  为保证角钢连接紧密,将外包角钢根部弧形刨成直角。
 一般情况下,角钢的定位轴线即为准线,结构的几何尺寸一般采用相似形标注。也就是说,角钢的准线在铁塔制图中是至关重要的。下面我们来对以下结构图进行解读。

主材A规格为200X16,其准距为75mm,斜材B规格为90X6,其准距为45mm,定位轴线均为准线。辅助材均等分节间,仅因辅助材D和E因角钢肢尖同向不能共孔,在斜材上间距80mm打孔连接。通过以上的情况可以得到各几何图形的构图相似性尺寸。将杆件二维图形展到图中,即可得到结构详图。
    下面看看连接详图的绘制情况。

 横向:因主材A规格为200X16,内包角钢规格为160X12,因主材准距为75mm,扣除主材厚度16mm,故第一排螺栓至内包角钢肢背的垂直距离为75-16=59mm。螺栓横向间距为60mm,故第二排螺栓至肢尖的垂直间距为160-59-60=41mm。对于外贴板,规格为160X10,螺栓横线间距与内包角钢一致为60mm,故螺栓边距为50mm。
 纵向:M24螺栓的端部取40mm,双排布置螺栓纵向错孔间距为60mm,中间加上两个螺栓端部40X2=80mm和连接间隙10mm为90mm。上部因角钢规格不同导致有错芯,可以推得上部连接主材准线为49+16=65,规格为L180。其他尺寸即可同理推得。

从上述示例可以看到,角钢的准距和准线在铁塔加工图绘制和解读中有很重要的作用。将螺栓在杆件上的排布标准化具有重要的意义。标准化后的结构图,变成了能让行业能通读的图纸,大大推动了行业技术的发展。



四、结论归纳

 经过本文的叙述,经归纳可大致得到如下的规律性结论:

(1)合理的角钢准线和连接螺栓排布规则能够保证铁塔计算和司令图阶段受力的合理性;能够保证加工图绘制阶段图纸的可读性和可加工性;能够保证铁塔加工阶段的可批量生产和效率;能够保证铁塔拼装和组立阶段中铁塔的可安装性,减少返工报废。
(2)连接螺栓群的形心的最佳位置不在重心处,而在重心与对称轴垂线(即角钢的最小轴)与角钢肢的交点处附近,近似来说可以认为在角钢的肢中线附近。
(3 螺栓的横向间距一般需结合纵向间距、螺母的安装、减孔值等构造要求确定。而第一排准线除了和上述原则有关外,还需考虑其与被连接角钢内弧位置的关系,应尽量减少压弧,尽量减小角钢切肢、切角量。
(4)连接处铁塔的受力中心和重心不重合是绝对的,只要使得偏心相对可接受,无需过分追求零偏心,否则杆件上的螺栓位置就会杂乱无章,而且使得制图较为困难,是完全没有必要的。实际工作当中也可以利用适当错芯的手段达到某些构造目的,只要通过合理受力分析,都是可以接受的。

5螺栓在角钢上的标准间距和准线是人为确定的。这些参数的标准化是具有重大意义的。标准化了的螺栓间距和准线,是经过了力学分析的,它使得标准化后的连接的偏心较小,小到对结构几乎无影响;标准化了的螺栓间距和准线,统一了行业内从业人员的集体意识,按标准化参数绘制的结构详图不会因个人的差异而有太大差异,设计人员对结构图的理解和认识不会因为个人的差异而有太大差异,大大的推动了行业技术的发展。


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