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1、关于输电铁塔塔脚板厚度设计计算问题的探讨王虎长 罗命达（西北电力设计院 西安 710032）【摘要摘要】借助于原东北院的铁塔底脚板试验报告研究内容，本文将架空送电线路杆塔结构设计技术规定 （DL/T 51542002）有加劲方型塔脚板在拉力作用下的底板厚度计算公式与我院使用的公式进行了对比，指出了规定公式不能全面反映工程中使用的所有有加劲方型塔脚板型式的设计计算模型，同时在一定程度上偏于保守的缺点。最后通过对试验报告结论的分析，给出了两类不同加劲方型塔脚板在拉力作用下的底板厚度计算推荐公式。【关键词】塔脚板，受拉，底板，计算厚度1 引言引言在架空送电线路杆塔结构设计技术规定 （DL/T 515
2、42002） （以下简称规定 ）9.5 节中，分别对无加劲和有加劲塔脚板的强度公式进行了规定。其中，无加劲方型塔脚板底板强度的计算公式来源于意大利 SAE 公司。该公司对此计算公式曾专门做过力学试验验证。结果是在设计荷载作用下，底板的变形小于 1.0mm；在极限荷载（即设计荷载乘以超载系数 1.5）作用下，底板变形小于 1.5mm。华东电力设计院在将此计算方法用于 500kV 阳淮线工程之前，在同济大学结构试验室做过类似的塔脚板力学试验，得出了无加劲塔脚板试验得到与意大利 SAE 公司试验相近的结果。详见华东电力设计院铁塔塔脚板试验报告 （1998 年 11 月） 。规定中，对于有加劲方型塔脚
3、板底板，受压强度按传统的计算公式计算；而受拉强度公式则通过对东北电力设计院的塔脚板力学试验推荐的计算公式进行修正而来，见公式（1） ，修正方法是参照了部分真型铁塔试验结果，并对计算公式中的系数作了适当调整。（1）maxmin31 1.14TYtbf或2 2minmax41.13bt fTY其中：T：塔脚板上所作用的拉力， （N） ；4：地脚螺栓个数；1.1：塔脚板底板厚度设计修正系数；bmin：底板各区段中的最小宽度， （mm） ；t：底板厚度， （mm） ；f：底板的设计强度（N/mm2） ；Ymax：地脚螺栓中心至主角钢的最大距离， （mm） 。按照我院多年来设计、实际使用和试验经验，我们
4、认为，该受拉强度计算公式不能全面反映工程中使用的所有有加劲方型塔脚板型式的设计计算模型，同时也在一定程度上偏于保守。从工程实践来看，无论是安全运行的铁塔，还是事故倒塔的铁塔，或是试验最终超载破坏的铁塔，到目前为止，我们还没有发现因塔脚板强度不够而引起破坏的实例。因此，很有必要考虑重新修改的可能性。2 铁塔塔脚板试验介绍铁塔塔脚板试验介绍最早，我院曾在 330kV 刘天关送电线路（1976 年）设计中对塔脚板的设计进行了试验研究，并得出了对当时所使用的塔脚板设计受拉承载力应考虑的修正系数，如下：（2）2 2 3abTnkl其中：Ta：塔脚板的计算受拉承载力， （kg） ；n：地脚螺栓个数；k：塔
5、脚板底板厚度设计修正系数，k1.2，由西北院试验刘天关试验所得值；b：支撑边宽度， （cm） ；：底板厚度， （cm） ；：底板的允许设计应力，为 1600kg/cm2，试验用塔脚板底板材质均为A3 钢；l：地脚螺栓中心至最远一个支撑（即加劲板）边缘的距离， （cm） 。l 与（1）式中 Ymax的最大区别在于 l 对应靴板，而 Ymax对应主角钢。后来，在 1978 年，东北电力设计院根据当时全国送电线路铁塔定型设计会议要求，规划了若干个塔脚板，并对其中的 15 个进行了试验研究。试验最终提出对公式（1）中的 k 值取值 1.5 的结论。由于我院在 330kV 刘天关送电线路设计中所进行的试
6、验研究报告已无法查询，为了更好的论证 k 值的取值大小，有必要先研究东北院的铁塔底脚板试验报告 （1978 年 10 月） 。如图 1 所示，从形式上来看，当时的试验用塔脚板分为三类：第一类为35kV110kV 所使用的两孔式轻型塔脚板（1 号和 2 号） ；第二类为 220kV 直线塔所使用的四孔式塔脚板（310 号） ；第三类为 220kV 耐张塔所使用的四孔式塔脚板（1115 号） ，此类与我院目前在实际工程中普遍采用的塔脚板型式相同。12 号塔脚板 310 号塔脚板 1115 号塔脚板图 1 试验用塔脚板型式由图 1，我们可以注意到，三类塔脚板都借助较厚一些的钢板来代替塔腿主材，目的是
7、是便于加荷。如此处理后的塔脚板的整体刚度似乎要比使用角钢稍差，但总体来说，影响不会太大。在试验中，对 9 块底板进行了应力测量（220kV 直线塔 4 块、承力塔 5 块） ，对 6 块底板进行了变形测量（35kV110kV 常用型式 2 块，220kV 直线塔 4 块）。试验对允许荷载的确定原则如下：1）通过加荷后荷载变形关系分析确定，在该（允许）荷载下，试件在弹性变形阶段内，变形呈线性关系，最大变形值不超过 3mm。2）通过实测底板平均应力分析确定，在该（允许）荷载下1600kg/cm2，同时底板外观无任何异常现象。3 试验结果及推荐公式试验结果及推荐公式3.1 试验结果由于 12 号塔脚
8、板系两孔型式，目前工程中基本没有应用，所以这里不再详细介绍其试验结果，只将重点放在 315 号塔脚板的介绍上。全部塔脚板试验结果全部塔脚板试验结果表 1允许荷载（t）试 件规 格地脚螺栓间距（mm）计算承载力（t）按变形按应力1162404501704.85122202404501707.58163162502501609.4204162602601609.3252052026026016014.635276163203202009.8252072032032020015.2408163903902409.6209164004002808.72010164204202809.225201125
9、33033020038.1很大70123233033020062.0很大90133242042024066.0很大1001440420420240103.0150120154043043028086.0128120注：表中的计算承载力系公式（2）的计算值。3 号板荷载在 020t 时变形很小，荷载变形呈线性关系。从 20t 开始变形显著增大，到 50t 时变形达 5.5mm。7 号板荷载在 040t 时变形很小，荷载变形呈线性关系。从 40t 开始变形显著增大，到 75t 时变形达 6.2mm。8 号板荷载在 020t 时变形很小，荷载变形呈线性关系。从 20t 开始变形显著增大，到 50t
10、时变形达 7.8mm。9 号板荷载在 020t 时变形很小，荷载变形呈线性关系。从 20t 开始变形显著增大，到 40t 时变形达 8.6mm。46 号、10 号塔脚板试验时作了变形及应力测量。变形测量是由试验机自动描绘的，只能看出荷载与变形的关系，由于变形绝对值太小，量不出具体数值；应力测量方面，由于缺乏经验，实测数据不全。11 号塔脚板加荷由 0 开始，每级 14t，56t 后开始测量变形，变形一直很小，在 140t 时因焊缝破坏，试验终止，此时变形近 0.35mm。12 号塔脚板加荷由 0 开始，每级 23.5t，94t 后开始测量变形，一直加荷到158t，底板变形一直很小，在 141t
11、 时变形仅为 0.03mm，在 158t 时因焊缝破坏，试验终止。13 号塔脚板加荷由 0 开始，每级 23t，92t 后开始测量变形，一直加荷到171t，底板变形为 0.2mm，在 171t 时因焊缝破坏，试验终止。14 号、15 号板加荷由 0 开始，每级分别为 39t、32t，一直加荷到 156t 及128t，均由于测试条件所限不能再加荷。此时，塔脚板变形几乎为 0。荷载（t）9-29-1 8-18-27-27-13-2 3-19876543218070605040302010下图为 3、7、8、9 号塔脚板的荷载变形图。图 2 3、79 号塔脚板的荷载变形关系图上图中，塔脚板序号后面所
12、跟的编号为千分表的编号，如 31，表示 3 号板的 1 号千分表。图中的圆点表示各板对应的允许荷载。从试验的允许荷载值与公式（2）的计算值的比值来看，110 号为2.052.47，1115 号为 1.461.83（注，1115 号比值系东北院建议采用承载力与计算值的比值） 。其中，1113 号由于焊缝构造原因，在焊缝被拉坏致使试验终止前的变形均远小于 1.0mm，且破坏时的试验荷载与计算值之比均大于 2.0；14 和 15 号则由于测试条件所限而不能继续加载） 。从弹性变形情况来看，采用变形测量的 3、89 号板在计算荷载下的变形均小于 1.0mm（见图 2） ，而在允许荷载下的最大变形不超过
13、 3.0mm；1113号则在焊缝破坏荷载下的变形全部小于 1.0mm。据上所述，报告提出了塔脚板底板厚度的使用计算方法。即将允许荷载与公式（2）的计算承载力之比“偏于安全取为 1.6” ，则公式（2）的“修正系数变为” 。21.6 1.21.5变形 （mm）这样，底板的允许荷载计算公式即可变为如下形式：（3）2 2 1.53abTnl若已知塔脚板所承受的拉力而求底板的厚度，则上式可变为：（4）31 1.54 aT l b该公式就是我们一直在工程设计中所使用的公式，需要说明的是，我们所采用的塔脚板形式是与 1115 号形式相同的。以上简要介绍了东北电力设计院铁塔底脚板试验报告的试验结果和塔脚板在
14、拉力作用下的底板厚度计算公式。实际上，除了 1 和 2 号两孔塔脚板，对于 315 号塔脚板，若先不考虑其用于耐张塔还是直线塔，按照加劲板的形式，我们可以将其分为两类：第一类仍为 310 号，该类塔脚板的加劲板没有再使用加劲板加强，样式正好与规定中的有加劲板方形塔脚板相近；第二类为 1115 号，属于对加紧板再采用加劲板来加强塔脚板。3.2 推荐公式考虑到前面介绍无加劲方型塔脚板底板强度的计算公式是在设计荷载作用下，底板的变形小于 1.0mm 的变形要求条件，那么，对于规定中的有加劲板方形塔脚板形式（与上述第一类塔脚板相同） ，根据前述的在计算荷载作用下的变形小于 1.0mm 这一客观事实，我
15、们可以将规定中的公式（1）的修正系数改为 1.2，直接沿用报告中叙述的老的修正系数值，也就是：（5）maxmin31 1.24T Ytbf至于第二类，由于试验因焊缝破坏而终止瞬间的变形均小于 1.0mm，所以直接使用公式（4）是完全可行的，即：（6）maxmin31 1.54T Ytbf需要说明的是，公式（5）和（6）直接由允许荷载和允许应力对应形式变为设计荷载和设计强度对应形式，稍偏保守。4 推荐公式与推荐公式与规定规定公式的差异公式的差异公式（1）与（5）的差异：使用公式（1）板厚增加 （1.21.1）/1.19公式（1）与（6）的差异：使用公式（1）板厚增加 （1.51.1）/1.136
16、5 使用推荐公式时应该注意的事项使用推荐公式时应该注意的事项塔脚板焊缝需要按计算校核。从东北院试验报告看出，试件 1115 号塔脚板在拉力较大的情况下，均出现了塔脚板焊缝先破坏，从而导致试验终止的现象。所有加劲板均应双面坡口并且焊透。焊缝构造的不合理也是试验中焊缝先行破坏的原因之一。当底板厚度25mm 时，加劲板厚度应大于 8mm。此值系试验报告推荐厚度，而且，试验用试件的加劲板厚度均不小于 8mm。6 结论及遗留问题结论及遗留问题（1） 规定中给定的有加劲方型塔脚板的受拉强度计算公式不能全面反映工程中使用的所有有加劲方型塔脚板型式的设计计算模型，同时也在一定程度上偏于保守。从工程实践来看，无论是安全运行的铁塔，还是倒塔的铁塔、或者
