一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点

摘要

本发明公开了一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，包括底座板和上下靴板，设置有内包角钢、无填板四组合角钢，所述无填板四组合角钢的端部与下靴板的端部对齐设置，所述无填板四组合角钢、下靴板的外部设置内包角钢，所述内包角钢上段与下靴板连接，所述内包角钢下段与无填板四组合角钢连接，所述内包角钢的安装方向与下部无填板四组合角钢方向一致。本发明中的结构，提高变坡节点刚度和安全性的同时，四组合角钢构件勿需设置常规连接方式所需的填板，有效减轻整塔重量、减小焊接工作量、加工便利、施工方便、缩短建设工期，节约工程成本，具有一定经济性。

权利要求

1.一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，包括上靴板（9）、底座板（4）和下靴板（11），其特征在于：设置有内包角钢（17）、无填板四组合角钢（18），所述无填板四组合角钢（18）的端部与下靴板（11）的端部对齐设置，所述无填板四组合角钢（18）、下靴板（11）的外部设置内包角钢（17），所述内包角钢（17）上段与下靴板（11）连接，所述内包角钢（17）下段与无填板四组合角钢（18）连接，所述无填板四组合角钢（18）两两直接对接设置。

2.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述无填板四组合角钢（18）采用连接部件（7）直接拼接在一起。

3.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述内包角钢（17）的安装方向与下部无填板四组合角钢（18）方向一致。

4.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述下靴板（11）连接在底座板（4）上，所述内包角钢（17）设置在底座板（4）下方。

5.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述内包角钢（17）紧贴下靴板（11）和无填板四组合角钢（18）。

6.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述下靴板（11）厚度与无填板四组合角钢（18）的厚度相同。

7.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述内包角钢（17）上段采用连接部件与下靴板（11）连接。

8.如权利要求2所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述连接部件（7）为螺栓。

9.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述内包角钢（17）下段采用连接部件与无填板四组合角钢（18）连接。

10.如权利要求1所述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述内包角钢（17）长度大于或者等于被连接的无填板四组合角钢（18）的宽度。

说明书

一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点

技术领域

[0001] 本发明是有关输电铁塔变坡节点型式，尤指无填板四组合角钢输电铁塔采用的一种特殊变坡节点连接型式。

背景技术

[0002] 随着电网建设的快速发展,电压等级的逐步提高，多回路、特高压输电线路建设越来越多，伴随的杆塔荷载也越来越大，杆塔构件型式也正向多元化迈进，单角钢（含大角钢）已不能满足荷载要求。对于山区线路的大负荷铁塔，采用四组合角钢塔是最佳选择。

[0003] 现有技术中常规四组合角钢铁塔采用座板式，在变坡节点下方焊接钢板（专业术语称为“下靴板”，下均按此简称）与四角钢构件通过填板和螺栓直接连接，此方式变坡节点刚度相对较弱，同时四组合角钢构件在每个节间均需设置与靴板相同厚度的填板进行构件连接，塔重偏重，增加焊接工作量，加工和施工不便。在许多关键节点构造型式设计时均需充分考虑填板带来的诸多影响。常规四组合角钢变坡处由四组合角钢与靴板通过填板和螺栓连接，同时变坡节点下部所有铁塔主材构件需设置与靴梁相同厚度的填板。常规四组合角钢铁塔变坡节点型式主要有以下几方面缺点：

[0004] （1）为了连接四组合角钢，下部主材各节间均需设置与变坡节点处靴板相同厚度的填板，导致铁塔重量偏重，焊接工作量大，加工和施工不便；

[0005] （2）为了满足常规四组合角钢构件间连接的要求（构件间通过填板连接，存在填板厚度大小的缝隙），四组合角钢与变坡节点靴板直接相连导致应力和刚度突变的节点处无加强措施，其刚度相对较弱。

[0006] （3）变坡节点处因三维空间坡度变化存在一定程度的应力和刚度突变，目前常用的此类变坡节点下靴板直接与四角钢主材相连，变坡节点以下无加强措施，刚度相对较弱，变坡点安全性能储备相对较低。

[0007] 伴随线路走廊日益狭窄，山区走线越来越多，杆塔所处的地形条件也越来越恶劣，线路施工材料运输能力限制给大规格铁塔构件运输也提出了新的挑战，在输电线路设计中成为一个亟待解决的难题。

发明内容

[0008] 针对现目前四组合角钢铁塔变坡节点型式存在的问题和不足，提供一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，具体技术方案如下：

[0009] 一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，包括上靴板9、底座板4和下靴板11，设置有内包角钢17、无填板四组合角钢18，所述无填板四组合角钢18的端部与下靴板11的端部对齐设置，所述无填板四组合角钢18、下靴板11的外部设置内包角钢17，所述内包角钢17上段与下靴板11连接，所述内包角钢17下段与无填板四组合角钢18连接，所述无填板四组合角钢18两两直接对接设置。

[0010] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述无填板四组合角钢18采用连接部件7直接拼接在一起。

[0011] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述内包角钢17的安装方向与下部无填板四组合角钢18方向一致。

[0012] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述下靴板11连接在底座板4上，所述内包角钢17设置在底座板4下方。

[0013] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述内包角钢17紧贴下靴板11和无填板四组合角钢18。

[0014] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述下靴板11厚度与无填板四组合角钢18的厚度相同。

[0015] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，其特征在于：所述内包角钢17上段采用连接部件与下靴板11连接。

[0016] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述连接部件7为螺栓。

[0017] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述内包角钢17下段采用连接部件7与无填板四组合角钢18连接。

[0018] 作为可选方式，上述的一种用于输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点，所述内包角钢17长度大于或者等于被连接的无填板四组合角钢18的宽度。

[0019] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0020] 本发明通过内包角钢将四组合角钢构件与靴板直接进行拼接，四个内包角钢的设置大大增加了变坡节点的刚度。且此类节点的优势还在于与其连接的四组合角钢构件直接通过螺栓背靠背连接，勿需在四角钢各个节间设置与靴板相同厚度的填板，在提高节点刚度和安全性能的同时，有效降低了整塔重量，减少了焊接工作，加工便利、施工方便，具有明显的优势。

附图说明

[0021] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

[0022] 图1为输电铁塔变坡节点位置示意图正面图；

[0023] 图2为输电铁塔变坡节点位置示意图侧面图；

[0024] 图3为现有常规四组合角钢变坡节点连接结构示意图；

[0025] 图4为图3中1-1的截面图；

[0026] 图5为图3中2-2的截面图；

[0027] 图6为图3中3-3的截面图；

[0028] 图7为图3中4-4的截面图；

[0029] 图8为本发明中无填板四组合角钢变坡节点连接结构图示；

[0030] 图9为图8中1-1的截面图；

[0031] 图10为图8中2-2的截面图；

[0032] 图11为图8中3-3的截面图；

[0033] 图12为图8中4-4的截面图；

[0034] 图13为图8中5-5的截面图；

[0035] 图14为图8中6-6的截面图；

[0036] 图15为无填板四组合角钢变坡节点有限元实体仿真模型；

[0037] 图16为无填板四组合角钢变坡节点上靴板有限元实体仿真模型；

[0038] 图17为无填板四组合角钢变坡节点下靴板有限元实体仿真模型；

[0039] 图18为无填板四组合角钢变坡节点底座板有限元实体仿真模型；

[0040] 图19为无填板四组合角钢变坡节点内包角钢有限元实体仿真模型；

[0041] 图20为无填板四组合角钢变坡节点无填板四组合角钢有限元实体仿真模型。

[0042] 图21为无填板四组合角钢变坡节点连接螺栓有限元实体仿真模型；

[0043] 附图标记：1为铁塔变坡节点、2为变坡以上段、3为变坡以下段、4为底座板、5为靴板、6为常规四组合角钢、7为连接部件、8为十字填板、9为上靴板、10为变坡上部角钢、11为下靴板、12为填板一、13为填板二、14为填板三、15为焊接处、16为连接常规四组合角钢和填板的螺栓、17为内包角钢、18为无填板四组合角钢、19为一号内包角钢、20为二号内包角钢、21为三号内包角钢、22为四号内包角钢、23为一号角钢、24为二号角钢、25为三号角钢、26为四号角钢、27为上部主材重心线、28为第一倒角、29为第二倒角、30为第三倒角、31为连接部件、32角钢的外侧面、33为角钢的内侧面、34为下靴板的外侧面、35为内包角钢的截面外侧边、36为内包角钢的截面内侧边。

具体实施方式

[0044] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

[0045] 调研目前四组合角钢的生产和施工情况，发现四组合角钢铁塔的填板数量多是铁塔较重、焊接量较大、加工和施工不便的主要原因，在许多关键节点构造型式设计时均需充分考虑填板带来的诸多影响。针对以往型式的不足，本发明采用四组合角钢直接接触连接，变坡处采用内包钢的加强节点刚度，很大程度上提高节点安全性能，更重要的是取消常规四组合角钢主材构件填板，有效降低了变坡节点和整塔重量，减少了焊接工作，加工便利，施工方便，且节点布置型式简单，变坡处过渡自然。

[0046] 输电铁塔塔身如图1、图2所示，铁塔变坡节点1连接铁塔塔身主材变坡以上段2、铁塔塔身主材变坡以下段3，所述变坡节点1上部为铁塔变坡以上段2塔身主材，所述变坡节点1下部为铁塔变坡以下段3塔身主材。所述变坡节点1处设置有连接部件，即底座板4。所述底座板4上部焊接上靴板9，所述底座下部4焊接下靴板11。铁塔塔身主材变坡以上段2直接与上靴板9连接，如通过焊接连接。铁塔塔身主材变坡以下段3与下靴板11连接。

[0047] 如图3所示，现有常规四组合角钢变坡节点连接结构，通常变坡以上采用双组合角钢，即变坡上部角钢10，（十字型截面对角布置，如图4所示）与变坡以下带填板8的常规四组合角钢6过渡，在变坡上下角钢的中间设置一底座板4和上下靴板，通过上靴板9-底座板4-下靴板11的顺序传递构件的内力，如图5所示。为满足下部常规四组合角钢6连接的需要，此种方式四肢构件须设置大量十字填板8（如下图6、图7所示），所述十字填板8由填板一12、填板二13、填板三14在焊接处15焊接成十字形。所述十字填板8被位于常规四组合角钢6的内部，通过螺栓16共同固定连接常规四组合角钢。十字填板8的设置增加了铁塔节点和整体重量较重，在许多关键节点构造型式设计时均需充分考虑其带来的诸多影响，同时增加了焊接工作量，加工和施工均不便。

[0048] 另变坡节点处因三维空间坡度变化存在一定程度的应力和刚度突变，目前常用的此类变坡节点靴板直接与四角钢主材相连，变坡节点以下无加强措施，刚度相对较弱，变坡点安全性能储备相对较低。

[0049] 现提出一种新的连接方式，如图8所示，无填板四组合角钢截面的变坡节点结构，该输电铁塔无填板四组合角钢截面的变坡节点1，变坡节点1在变坡处设置底座板4，所述底座板4上部焊接上靴板9，所述底座下部4焊接下靴板11。变坡以上采用变坡上部角钢10将塔身上部连接在上靴板9上，如图9所示。

[0050] 如图10、图11所示，本结构设置有无填板四组合角钢18、内包角钢17，所述无填板四组合角钢18的端部与下靴板11的端部对齐设置，对接设置。所述内包角钢17设置在底座板4下方，紧贴包围在所述无填板四组合角钢18、下靴板11的外部。如图12所示，所述内包角钢17上段通过连接部件7，例如螺栓与下靴板11连接。如图13所示，所述内包角钢17下段通过螺栓7与无填板四组合角钢18连接。所述内包角钢17的安装方向与下部无填板四组合角钢18方向一致。所述内包角钢17紧贴下靴板11和无填板四组合角钢18。

[0051] 如图14所示，所述无填板四组合角钢18为一号角钢23、二号角钢24、三号角钢25、四号角钢26。所述一号角钢23、二号角钢24、三号角钢25、四号角钢26的截面形状为L型或者直角型。所述L型的边A的长度与边B的长度相同，也可以不相同。所述L型的边A的厚度与边B的厚度相同，也可以不相同。所述直角型的边A的长度与边B的长度相同，也可以不相同。所述直角型的边A的宽度与边B的宽度相同，也可以不相同。所述一号角钢23、二号角钢24、三号角钢25、四号角钢26可设置倒第一倒角28、第二倒角29、第三倒角30，也可以不设置倒角。因此所述一号角钢23、二号角钢24、三号角钢25、四号角钢26的外侧面32两两接触，拼接在一起形成十字形，直接采用螺栓进行连接。

[0052] 所述无填板四组合角钢18的十字形的边的厚度与下靴板11厚度相当或相同，保证无填板四组合角钢18的端部与下靴板11的端部对齐后，所述角钢的内侧面33、下靴板11的外侧面34处于同一平面，以便于内角包钢17紧贴下靴板11的外侧面34和无填板四组合角钢18角钢内侧面33，通过连接部件7，例如螺栓，实现连接。

[0053] 如图13所示，所述内包角钢为一号内包角钢19、二号内包角钢20、三号内包角钢21、四号内包角钢22。所述一号内包角钢19、二号内包角钢20、三号内包角钢21、四号内包角钢22的截面外侧边35为L型或者直角型，其与为无填板四组合角钢拼合的十字形的外侧吻合紧贴。所述一号内包角钢19、二号内包角钢20、三号内包角钢21、四号内包角钢22的截面外侧边35也可以为与其被包围的形状相吻合的其他形状，如由钢板组成的此相似形状。所述一号内包角钢19、二号内包角钢20、三号内包角钢21、四号内包角钢的截面内侧边36形状可以根据需要来设定。所述内包角钢为等边或不等边。

[0054] 变坡节点内包角钢的截面规格和连接长度、螺栓规格和数量均需根据受力计算确定，同时内包角钢长度不应小于被连接的四组合角钢的宽度，例如1.5倍（即L≥1.5B四角钢），有效保证连接的可靠性。

[0055] 变坡节点下部连接的十字型四组合截面构件不需设置其他构件（如填板）直接采用螺栓进行连接。四组合角钢构件长度、宽度和厚度根据构件的内力大小计算确定同时满足构造要求，保证构件的安全性；连接螺栓亦需满足计算和构造要求，保证构件间连接的可靠性。

[0056] 变坡节点内包钢长度、宽度和厚度根据节点处的内力大小和构造要求无级匹配，最大限度满足受力和构造要求。变坡节点下侧四组合角钢构件采用无填板直接相连的型式，即四个角钢直接连接（或由其他构件组成的十字型截面）。变坡节点下侧四组合角钢构件长度、宽度和厚度根据构件的内力大小和构造要求无级匹配，最大限度满足受力和构造要求。

[0057] 本发明采用的无填板四组合角钢变坡节点型式，借助有限元仿真模拟分析软件和真型试验设备，进行方案比选，确定了最佳变坡节点型式。

[0058] 进行大量的有限元仿真模拟分析计算，对比分析无填板四组合角钢变坡节点的可行方案，通过技术经济比较，确定采用的最优的方案。进行确定方案的真型试验验证，进行无填板四组合角钢变坡节点验证和设计优化。

[0059] 有限元分析主要考察此类无填板四组合角钢变坡节点传力的合理性、节点相关板件及主要螺栓的受力性能。整个模型，在下端采用无填板的四组合角钢主材底端施加约束边界条件，在上端施加荷载条件进行节点受荷模拟加载，连接于节点的其它各杆件通过在螺栓孔上均匀加载实现荷载传递。根据有限元分析，通过有限元模型计算结果（VON-MISE应力）考察节点的受力性能，节点各板件和螺栓受力情况如下，如图15所示。

[0060] 如图16、17所示，VON-MISE应力图分析结果可见，上下靴板在截面突变位置和螺栓孔周边的应力相对集中外，其在与主材和斜材构件连接部位的应力稍大，其余部位应力相对较小。上下靴板的整体受力性能较好，上靴板有效地将变坡节点上主斜材的内力传递至底座板，相应的下靴板也有效将底座板传来的内力传递给变坡下主材构件。

[0061] 如图18所示，通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，底座板在与上下靴板连接区域处应力较大，其余部位应力相对较小，底座板有效地传递变坡节点上下构件间的内力，受力整体受力性能较好，在变坡节点处有效起到了“承上启下”的作用。

[0062] 如图19、图20所示，根据规范计算下部主材四组合角钢（以Q420L160×14为例）截面平均拉（压）应力和内包连接角钢（以Q420L180×16为例）拉（压）应力可得：受拉工况下，主材无螺栓孔位置为220MPa，有螺栓孔位置为270MPa，外包连接角钢净截面平均应力为205MPa；受压工况下，主材无螺栓孔位置为253MPa，有螺栓孔位置为303MPa，内包连接角钢净截面平均应力为231MPa。通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，内包角钢最大应力位置主要位于下靴板与无填板四组合角钢连接处，由于上下截面的断开，需通过内包角钢将下靴板上的内力传递给无填板四组合角钢，所以此内包角钢内力相对较大。根据应力分布图可见，内包角钢的整体受力较为均匀，受力性能良好，有效地传递下靴板的内力至下部无填板四组合角钢，有效提高了变坡节点的刚度。

[0063] 如图21所示，通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，螺栓杆表面部分位置应力较大，但均在材料的弹性范围内，抗剪螺栓应验算其抗剪承载力和承压承载力。螺栓能有效传递被连接构件的内力，按此方式布置其传力性能较好。

[0064] 通过有限元VON-MISE应力图分析结果可见，无填板四组合角钢的变坡节点上靴板、底座板、下靴板、内包角钢，无论受拉还是受压，基本上都处于弹性状态，受力性能较好，能有效地将变坡节点上方构件的内力传递给下部无填板四组合角钢。

[0065] 相关术语解释：

[0066] 变坡节点指输电铁塔塔身主材（垂直方向外轮廓线）坡度变化点，即节点上下塔身主材构件坡度不同，在本专利中指单角钢或双组合角钢向无填板四组合角钢变坡点的连接（简称“单变四变坡节点”或“双变四变坡节点”），如图1、图2所示。

[0067] 常规四组合角钢采用四肢等边角钢组合成十字型截面，需通过填板和螺栓共同连接四肢角钢，目前国内输电铁塔四组合角钢均采用此截面型式，构件截面如下图7所示。

[0068] 无填板四组合角钢采用四肢等边角钢组合成十字型截面，但其无需通过填板连接四肢角钢，直接采用螺栓进行拼接，目前国内暂无，属首次运用，故称作“无填板四组合角钢”，构件截面如下图14所示。

[0069] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。