一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法及系统与流程

1.本发明属于钢管角钢组合塔技术领域，尤其涉及一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.输电塔线体系具有高耸、大跨和高柔的结构特点，这对输电塔的结构性能和结构设计提出了更高要求，结构节点部位的构造变得更复杂，而这些节点是保证输电塔结构安全可靠的关键部位，对结构整体稳定性和传力性能具有较大影响。其中，在走廊拥挤地段窄基塔充分利用了钢管角钢材料各自的独特优势，横担采用角钢、塔身主材采用钢管结构，两者连接节点受力集中且数值较大，为避免节点处钢管主材局部屈曲需增加加强板、加劲环等措施，且加强板、加劲环需满足各自的承载力要求。
4.发明人发现，现有技术均是对k型钢管焊接节点承载力的设计计算方法，而这些现有的方法并不适用于构造复杂且牵涉板件众多的钢管角钢组合节点承载力的设计。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法及系统，其综合考虑主管、水平节点板、竖向节点板、端环板的影响，获得组合节点横担受拉承载力。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法。
8.一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法，其包括：
9.获取主管相关参数，计算得到主管轴压比；
10.基于主管轴压比来确定钢管角钢组合节点破坏模式；
11.根据钢管角钢组合节点破坏模式，确定节点板几何尺寸，计算得到各板件内力分配比参数；
12.基于有效宽度法来验算节点板承载力，进而根据节点板承载力和节点板内力分配比参数，计算得出各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力；
13.基于节点有限元分析结果对各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力进行调幅，调幅后得到组合节点承载力。
14.作为一种实施方式，所述主管相关参数包括主管传递轴向合力、主管截面积和主管钢材屈服强度。
15.作为一种实施方式，所述钢管角钢组合节点破坏模式包括水平节点板破坏模式、竖向节点板破坏模式和主管屈曲破坏模式。
16.作为一种实施方式，各板件内力分配比参数的计算公式为：
[0017][0018]
其中，ψ(x,y)为各板件内力分配比参数，x为组合节点横担侧水平环板厚度，y为组合节点横担侧竖向环板厚度，p1～p7为拟合函数系数。
[0019]
作为一种实施方式，节点板承载力的表达式为：nu＝be*t*fu；
[0020]
式中：nu为节点板抗拉极限承载力；be为有效宽度；t为节点板厚度；fu为节点板钢材抗拉强度。
[0021]
作为一种实施方式，调幅后得到的组合节点承载力p为：
[0022]
p＝k
×
min(p1,p2)
[0023]
其中，p1为水平板内力分配比及承载力计算出来的组合节点整体极限承载力；p2为竖向板内力分配比及承载力计算出来的组合节点整体极限承载力；k为常系数。
[0024]
本发明的第二个方面提供一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算系统。
[0025]
一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算系统，其包括：
[0026]
主管轴压比计算模块，其用于获取主管相关参数，计算得到主管轴压比；
[0027]
破坏模式确定模块，其用于基于主管轴压比来确定钢管角钢组合节点破坏模式；
[0028]
内力分配比参数计算模块，其用于根据钢管角钢组合节点破坏模式，确定节点板几何尺寸，计算得到各板件内力分配比参数；
[0029]
极限承载力计算模块，其用于基于有效宽度法来验算节点板承载力，进而根据节点板承载力和节点板内力分配比参数，计算得出各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力；
[0030]
组合节点承载力确定模块，其用于基于节点有限元分析结果对各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力进行调幅，调幅后得到组合节点承载力。
[0031]
作为一种实施方式，所述钢管角钢组合节点破坏模式包括水平节点板破坏模式、竖向节点板破坏模式和主管屈曲破坏模式。
[0032]
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
[0033]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法中的步骤。
[0034]
本发明的第四个方面提供一种电子设备。
[0035]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法中的步骤。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037]
(1)本发明创新性提出了一种考虑中环板贡献作用的钢管角钢组合节点承载力计算方法，综合考虑主管、水平节点板、竖向节点板、端环板的影响，获得组合节点横担受拉承载力；本发明还明确了组合节点各板件所受外力的占比，并给出了考虑节点板几何尺寸的拟合公式，从而指导输电塔结构设计；由于钢管角钢组合节点承载力计算需要考虑的参数众多，因此在试验和理论分析的基础上采用了有限元数值模拟进行参数化分析，基于试验和有限元分析结果进行了拟合最终得到该承载力计算方法。
[0038]
(2)通过本发明的计算方法得到的钢管角钢组合节点安全性能高，工程造价低；本发明可广泛应用于输电线路在钢管角钢组合节点的设计中。
[0039]
(3)本发明的计算方法很好的弥补了现有规范关于钢管角钢组合节点承载力计算方面的空白，同时基于广泛的试验和数值模拟，对于各种破坏模式均可准确计算节点承载力。
[0040]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0041]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0042]
图1为本发明实施例的钢管角钢组合节点结构正视图；
[0043]
图2为本发明实施例的钢管角钢组合节点俯视图；
[0044]
图3为本发明实施例的钢管角钢组合节点受力图；
[0045]
图4是本发明实施例的钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法流程图。
[0046]
图中：1主管，2竖向板，3水平环板，4端环板，5横杆角钢，6横担角钢。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0048]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0049]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0050]
实施例一
[0051]
如图1和图2所示，d为主管1的直径，t为主管1的厚度，b为水平环板3的宽度，x为水平环板3的厚度，y为竖向板2的厚度，θ为横担角钢6的倾斜角度，这些是节点承载力分析和计算所需的基本尺寸参数。在图1中，5为横杆角钢。
[0052]
如图4所示，本实施例提供了一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法，其包括：
[0053]
步骤1：获取主管相关参数，计算得到主管轴压比。
[0054]
主管轴压比可通过公式(1)计算得到；
[0055][0056]
其中f2为主管传递轴向合力，ae为主管截面积，fy为主管钢材屈服强度。
[0057]
步骤2：基于主管轴压比来确定钢管角钢组合节点破坏模式。
[0058]
破坏模式可分为水平节点板破坏、竖向节点板破坏、主管屈曲破坏等模式；当轴压比大于0.85时，主管轴向压力的存在促使局部变形增大，环板-主管模型的强度随主管压力的提高而降低，此时破坏模式为主管屈曲；当主管轴压比大于0.6，小于0.85时，主管压力使
节点整体承载能力降低，此时承载力公式应乘以0.8的折减系数；当主管轴压比小于0.6时，主管压力对节点承载能力影响较小，可忽略其影响。
[0059]
步骤3：根据钢管角钢组合节点破坏模式，确定节点板几何尺寸，计算得到各板件内力分配比参数。
[0060]
内力分配比参数通过公式(1)计算得到：
[0061][0062]
其中，ψ(x,y)为各板件内力分配比参数，x为组合节点横担侧水平环板厚度，y为组合节点横担侧竖向环板厚度，p1～p7为拟合函数系数。此处两板件厚度差异不可过大，其比例取值范围为(0.6-1.5)。
[0063]
p1～p7的取值范围如表1所示：
[0064]
表1 p1～p7的取值
[0065][0066][0067]
步骤4：基于有效宽度法来验算节点板承载力，进而根据节点板承载力和节点板内力分配比参数，计算得出各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力。
[0068]
节点板承载力nu通过公式(3)计算得到：
[0069]nu
＝be*t*fuꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0070]
式中：nu为节点板抗拉极限承载力；be为有效宽度；t为节点板厚度；fu为节点板钢材抗拉强度。有效宽度be的取法是从第1行螺栓外侧连接件向外以30
°
角画直线，在通过最后1行螺栓轴线的直线相交所截得的直线宽度。
[0071]
基于节点板承载力nu和节点板内力分配比参数ψ计算得出组合节点在横担受拉工况下的极限承载力；
[0072]
组合节点承载力公式，根据公式(4)和(5)计算得到：
[0073][0074][0075]
其中，p1为水平板内力分配比及承载力计算出来的组合节点整体极限承载力；p2为竖向板内力分配比及承载力计算出来的组合节点整体极限承载力。
[0076]
步骤5：基于节点有限元分析结果对各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力进行调幅，调幅后得到组合节点承载力，如图2和图3所示。在图3中，f2为主管轴向压力、f3为横杆角钢荷载。
[0077]
p＝k
×
min(p1,p2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0078]
其中，p1为水平板内力分配比及承载力计算出来的组合节点整体极限承载力；p2为竖向板内力分配比及承载力计算出来的组合节点整体极限承载力；k为常系数，如为0.85。
[0079]
以某典型钢管角钢组合节点为例，基本尺寸参数如下：
[0080]
主管直径d为325mm，主管厚度t为7mm，竖向板厚度y为12-16mm，水平板宽度b为160mm，水平板厚度x为12-16mm，横担角钢倾斜角度θ为21
°
；因节点为典型的上横但节点，其受力工况为横担角钢受拉，横杆角钢受拉，主管受压。
[0081]
根据本实施例的计算方法，首先分析主管的轴压比，考虑到主管承受的轴向合力为586kn，轴压比为0.2，可认定节点的破坏模式为水平板破坏或竖向板破坏，计算时考虑节点板材质为q355，屈服强度为355n/mm2，抗拉强度为500n/mm2，由于水平板几何尺寸限制，有效宽度取为185mm，竖向板有效宽度取为225mm。计算结果如表2所示，说明本实施例所述的一种钢管角钢组合节点承载力计算方法可准确有效的计算出该类节点的承载能力，且结果拥有足够的安全裕度。
[0082]
表2节点承载力结果对比
[0083][0084][0085]
表中p为公式计算得出的节点承载力，f为有限元分析得出的节点承载力，α为承载力比值。
[0086]
实施例二
[0087]
本实施例提供了一种钢管角钢组合塔横担节点承载力计算系统，其包括：
[0088]
主管轴压比计算模块，其用于获取主管相关参数，计算得到主管轴压比；
[0089]
破坏模式确定模块，其用于基于主管轴压比来确定钢管角钢组合节点破坏模式；
[0090]
内力分配比参数计算模块，其用于根据钢管角钢组合节点破坏模式，确定节点板几何尺寸，计算得到各板件内力分配比参数；
[0091]
极限承载力计算模块，其用于基于有效宽度法来验算节点板承载力，进而根据节点板承载力和节点板内力分配比参数，计算得出各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力；
[0092]
组合节点承载力确定模块，其用于基于节点有限元分析结果对各个组合节点在横担受拉工况下的极限承载力进行调幅，调幅后得到组合节点承载力。
[0093]
其中，所述钢管角钢组合节点破坏模式包括水平节点板破坏模式、竖向节点板破坏模式和主管屈曲破坏模式。
[0094]
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤具体实施过程相同，此处不再累述。
[0095]
实施例三
[0096]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法中的步骤。
[0097]
实施例四
[0098]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的钢管角钢组合塔横担节点承载力计算方法中的步骤。
[0099]
本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0100]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。