工业设计论文角钢塔构件的标准化设计

　　角钢塔设计中通常存在构件数量众多、计算受力复杂、计算量大等问题。为在保证结构安全的前提下最大程度上减少构件的数量，本文基于美国通信塔规范TIA-222-G-2005提出采用“等强度”连接对构件进行归一化处理，减少构件数量，简化连接计算，实现构件设计的标准化。在此基础上，绘制和编写各种不同规格的构件等强度连接表格供设计人员选用和参考。

　　《安徽工业大学学报(自然科学版)》主要报道钢铁冶金、材料科学、化学化工、环境工程与环境保护、机械工程、机电一体化、自动化工程、信息工程、计算机科学与应用等相关专业、学科的基础理论。获奖情况：安徽省高校优秀学报;华东地区优秀科技期刊;中国科技核心期刊;安徽省高等学校优秀学报一等奖。

　　1、 引言

　　角钢塔由于角钢取材方便、材料价格低廉、加工工艺成熟、安装搬运难度低等诸多优点，角钢通信塔在国内通信市场得到广泛应用。在国外市场上，由于角钢塔构件能够成捆包装，集装箱装运方便、构件安装工具要求简单等优点更是得到广泛应用。

　　角钢塔在通信塔建设使用由来已久，其结构设计由于构件多、受力分析复杂等缺点目前主要采用整体空间矩阵法进行计算机计算，常用的有：Ansys、SAP2000、3D3S、PLS-tower、RISA-tower等有限元软件。假定一种较为合理的角钢塔立面隔面形式，角钢塔结构构件截面尺寸通过计算能够能较快确定。但由于按照客户定制化设计荷载进行设计，设计计算出来构件的连接参数各不相同，同样截面的构件使用的连接螺栓数量直径均不相同，导致构件种类繁多，增加产品制作成本和运输管理成本。同时设计经验不足的设计人员在构件连接设计时由于计算的参数取值，导致构件的连接强度存在一定的风险。

　　2、 构件的计算

　　笔者所在公司角钢塔生产主要针对非洲、拉美、东南亚等区域通信塔桅市场。由于美国是当前世界超级大国，在各个方面影响着全世界，包括通信建设的相关标准，由于第三世界国家基本上没有自己的科学体系，因此相关的规程、技术标准基本上全盘照搬美国。笔者在本文中按照中国标准的材料，计算采用目前最新版美国通信铁塔设计规范(TIA-222-G-2005，以下简称美标)进行论述。

　　在角钢塔计算模型中，角钢塔假定为整体桁架，所有构件均轴心受力构件。由于构件在受压作用下存在屈曲，构件的承载能力远小于其受拉承载能力，同时在实际角钢塔计算中单个构件的所受的压力一般大于其所受拉力，故等强度的连接实际上就是是构件最大承压能力与构件连接等强。

　　美标对本次论述的角钢塔常使用的等边角钢构件的受力连接计算有详细的规定，具体如下。

　　a) 材料有效强度

　　对于常用的90度热轧等边角钢，美标规定有效屈服强度与角钢宽厚比和材料的屈服强度有关，并且角钢宽厚比w/t与不允许大于25。具体计算式如下表1。

　　w/t公式

　　w/t < 0.47 F = Fy

　　0.47 < w/t < 0.85 F = [1.677 - 0.677 ] Fy

　　说明：

　　F -----角钢有效强度(Mpa);

　　Fy-----角钢材料屈服强度(Mpa);

　　E----材料弹性模量(Mpa);

　　w/t----角钢肢厚比

　　0.85 < w/t < 25F = [0.0332 π2 E/(w/t)2]

　　b) 轴向承载力计算

　　角钢轴向承载力为ФcPn：Pn = AgFcr，Фc = 0.85。

　　当λc≤1.5 Fcr = (0.658λ ) F ;当λc>1.5 Fcr = ( )F 。

　　式中：λc = ;Ag -----构件总面积(mm2);F -----有效屈服强度(Mpa);E =弹性模数(Mpa);K -----有效长度系数;L-----杆件侧向自由长度(mm);r-----对弯曲轴的控制回转半径(mm);

　　c) 连接强度计算

　　在角钢塔中构件平面贴合，构件连接主要承受剪力。连接节点的承压强度和端承强度主要依据文献[2]、[3]进行保证。连接的强度计算螺栓本身的抗剪强度。

　　在美标中螺栓抗剪力计算式如下：

　　Rv = 0.3 Fub Ab 注：为确保等强连接的可靠及通用性，考虑螺纹部分进入了剪切面。

　　式中：Rv-----抗剪强度;Fub-----螺栓指定最小抗张强度;Ab ----- 螺栓公称光圆面积

　　3、主肢连接

　　角钢塔主要提供移动通信数据及话务信号，高度大部分在60米以内。在这个高度下，通信用角钢塔的主材采用单角钢就能满足受力要求，另发往海外市场的角钢塔为降低造价一般使用20” 集装箱海运至目的地，为保证装柜构件的单件长度必须控制在5.8米以内。通信角钢塔主肢采用对称支撑(如图1)，构件有效长细比系数K=1。主肢再分支撑一般不会多于4个，这样构件的计算长度就不长于1.5米。为保证构件连接的通用性，采用计算长度1000列出常用主肢材料的等强选配螺栓表，具体如表2，对于其他计算长度可以参照此方法进行考虑。

　　2、考虑到角钢单双准线及接头重量最优化，涂黑部分建议为优选第一系列。

　　4、 支撑材连接

　　支撑材主要是指立面横杆、斜杆及再分构件，为最大程度上减少风荷载受风面积和降低铁塔重量，支撑材与主肢连接取消接点板直接与主肢相连接，这样就要求支撑材的螺栓数量尽可能少。在角钢塔重常用的三种隔面形式及长细比计算方式如图2。

　　根据文献5中P423表9-35知，角钢塔常用的等边角钢各种回转半径关系为rz=0.65rx=0.65ry，根据笔者公司多年设计铁塔杆件的统计分析，一般情况L1=(0.3-0.6)L。这样就导致L1/rz> L/ ry。构件长细比愈长，构件的承载能力愈小。为保证等强度连接的可靠性，取长细比的统一计算式为L1/rz,根据美标规范按照长度500,1000,1500,2000,2500,3000，3500进行计算，控制构件计算长细比在60-200之间对常用的支撑材(含辅助材)列出等强的选用表.

　　5、 结束语

　　本文通过对规范规定角钢塔的连接计算方式介绍，提出构件承载力与连接强度相等的“等强度设计”方法并编制常用材料的选用表格。对提高角钢塔设计速度和准确性、减少构件数量和规格，本文提供了一种新的思路和方法，等强度设计对非专业结构设计人员具有指导和借鉴使用的作用。角钢塔主肢及支撑杆同种型号同种连接螺栓数量及规格，这样既便于放样和构件加工制作，又有利运输、安装、镀锌和通用构件互相调剂，提高了产品的经济竞争能力，提高产品的标准化程度。

　　参考文献：

　　[1]王肇民、马人乐等. 塔式结构.科学出版社，2004

　　[2] 输电线路典型设计工作组. 国家电网公司110~500kV输电线路典型设计铁塔制图和构造规定. 2006

　　[3]电力行业规范. 送电线路铁塔制图和构造规定(DLGJ136-1997). 1997

　　[4]美国通信协会标准. Structural standard for Antenna Supporting Structure and Antennas(TIA-222-G). 2005

　　[5]李兴荣、魏才昂等. 钢结构连接节点设计手册(第二版).中国建筑工业出版社，2005

　　[6]王肇民、U peil等. 塔桅结构.同济大学出版社，1989