金属单管塔插接长度的建筑研究与设计

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2019-03-02 论文字数:65666字
论文编号: sb2019022014111924996 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇关于建筑论文,笔者通过查阅、学习和整理相关的文献,熟悉对通信单管塔行业以及工程上的国内外研究现状和发展趋势,对单管塔相关的基础知识和概念以及目前研究的方向做一系
本文是一篇关于建筑论文,本文所选取的单管塔模型依据《通信铁塔标准图集》,其主要研究的是单管塔在三种不同塔身材质下(普通钢材、高强钢材和铝合金),通过对模型进行静力模拟,研究了插接长度、外管的直径、锥度、管壁的厚度、摩擦系数和截面形状等因素对节点承载力和刚度的影响。根据计算结果研究出的一些差异和规律,通过对节点强度和刚度的验算改进现有单管塔插接长度的计算公式。

第一章   绪论

1.1 通信塔的应用和发展
1.1.1 通信塔的综述
通信塔是一种架设通信天线的高耸结构,其主要特点是结构整体较高,结构横截面以及占地面积较小,水平荷载作用下起主要作用,是一种细长的构筑物[1]。
所谓的高耸结构是指高度较大、横断面相对较小的结构,以水平荷载(尤其是风荷载)为结构设计的主要依据。根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构,也称为塔桅结构[2]。除了塔式和桅式两大类型外,还有一种一桅式为基础体系的樯杆塔,在杆身纤绳结点处设置水平刚性撑杆和上下层纤绳进行连接,具有用钢量少、占地空间小等特点。
高耸结构一般承受自重、设备重、风荷载、地震荷载以及雪荷载等等,但因其结构的特殊性,再加上结构整体刚度较柔,主要承受水平风荷载和自重的作用,即在水平风荷载作用下产生的弯矩和由自重所产生的轴力。在整个高耸结构中,风荷载作用下所产生的弯矩是影响结构的主要因素[3-10],因此,在有关高耸结构在风荷载作用下的研究就成为当下最主要的研究内容。

随着 20 世纪的无线电广播和电视的发展以及 21 世纪的移动通信和互联网时代的普及和应用,世界各地建造了很多的无线电塔、电视塔和通信塔,这还包括在化工石油行业、交通运输行业以及航天行业中所建立的石油钻井塔、炼油化工塔、导航雷达塔等等。目前,钢材作为高耸结构的主要材质,对于通信塔中的空间桁架塔应用较为广泛,但是相比较通信单管塔而言,受益于构造简单和占地空间小的优势,尤其在于通信塔设计和建设领域越来越备受青睐。
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1.2 通信塔的结构形式
随着人类现代生活的日趋发展和进步,通信塔受到人类科学和技术的推动及影响。同时,在提倡以绿色、节能、环保以及美观的前提下,通信塔的发展方向也是持续不断的更新和优化,伴随着新型材料的发展、结构设计的优化以及人类生活的需要,使得通信塔的功能越来越丰富,结构形式也越来越简化。通信塔结构种类按照其钢结构的结构形式来分,可分为空间桁架塔和单管塔[22]。
空间桁架塔按其主要受力构件又可以划分为角钢塔、钢管塔和角钢—钢管组合式塔。对于角钢塔来说,角钢塔基本上所采用正四面形截面,方便与腹杆之间的连接,四边形角钢塔是国内比较常用的通信塔结构形式,优点在于构件连接和安装简单,价格比较便宜以及角钢的的生产加工较为成熟。但由于角钢的回转半径较小,无疑会增加了许多辅助杆件,从而导致结构整体用钢量和迎风面积的增加。与此同时,整体结构的自重过大,会使得底部基础承担的风险就越高,从而加大了结构基础的设计和施工的费用;对于钢管塔来说,钢管的构件相对来说就比较灵活,有正三角形和正四边形的结构形式。其优点在于用钢量有了明显的减少,会使得整个结构的自重减轻。但是单个钢管的造价成本较高,相对于角钢的生产加工方面显得不够完善和成熟,同时钢管之间节点连接的构造较为复杂;对于组合式的角钢-钢管塔,基本上是结合上述角钢塔和钢管塔的优势和特征,是一种综合性较强的塔型,也是目前空间桁架塔中较为推广的一种。
单管塔主要分为有内置法兰盘连接的圆截面单管塔和插接式连接的多边形单管塔[23](包括八边形、十二边形、十四边形和十六边形等),其中对于内置法兰连接的圆截面单管塔的塔身加工,通常将钢板采用横向卷板的加工方式弯卷成一个个的圆锥形筒体,并且把纵向焊缝焊牢,再将两端带有法兰盘的圆锥形筒体拼装成一个个的节段,每个节段在安装时首尾相叠而成,并采用螺栓进行紧固;插接式多边形单管塔塔身加工时,通过大型液压机或者是折弯机将钢板折成多边形截面的形式,依据其直径的不同而形成的竖向焊缝,采用纵向焊接的方式形成多边形截面的钢管节段,在节段安装时,采用上筒节段套接下筒节段的插接形式。无论是哪一种形式的单管塔,在很大程度上可以解决占地面积大、施工工期和成本的问题,单管塔不仅外观简洁美观,而且钢管本身很有效的保护塔体内的设备。与此同时,对于单管塔本身来说,用钢量较大以及塔身截面较小而导致的塔体变形大和刚度不足的劣势,也同样值得重视[24-28]。
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第二章  单管塔模型的建立与验证

2.1 引言
随着通讯、交通以及电力等各大行业的日益发展,对单管塔的需求量也在逐渐增加。相对于插接式单管塔来说,其具有占地面积小、简单美观、施工周期短和便于安装和维修等特点,因而也广泛应用于各大行业之中。但是,针对于这种插接式单管塔而言,插接段中的插接节点会是整个塔体较为薄弱的部位,也是值得去深究的方向。目前,对于高耸结构的理论研究中有限元计算法是一种较为常用的计算方法,也是一种经过多次模拟计算和验证中比较可靠和成熟的方法。本章通过对现有的单管塔插接节点抗弯刚度的试验研究进行分析,借助于有限元 ABAQUS 分析软件对试验的试件进行模型建立和研究分析,以此来验证有限元 ABAQUS 分析软件的准确性和真实性。
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2.2 试验概况与介绍
2.2.1 试验概况
本试验是根据罗烈、涂望龙等人[43]关于单管塔插接节点抗弯刚度的试验研究的基础上进行介绍。出于实际工程情况以及现有相关规范,插接节点其实并不能作为简单的连续节点来考虑,且在插接段处的插接节点可能会有一定程度的弱化;在整个研究的试验情况来看,对于单管塔插接段插接节点的研究并不是很成熟,大多数试验也都是采用整管试验(不考虑节点的影响)。采用这种试验研究,也会对单管塔的理论研究有所影响,不能够很好的通过有限元分析软件对其试验结果进行验证、分析和研究。
2.2.2 试验介绍
本试验的是由五个不同参数的试件组成,其管体壁厚为 6mm,锥度为 1/40,具体参数如下表所示。所使用的试件钢材强度为 Q450,其力学性能:屈服强度fy=517.9MPa,抗拉强度 fu=574.4MPa,弹性模量 E=2.06×105MPa。

基于单管塔的受力主要来源于水平风荷载、杆体自重和天线抱杆等附加设备重量,即承受弯曲作用和竖向轴力作用。本试验的加载装置采用在塔体顶部放置水平悬臂加载梁,通过千斤顶分别给加载梁的中部顶面和左右两端施加轴向压力和弯矩。在给整个试件施加荷载的过程中,由所布置的水平位移计和竖直位移计来测量管体水平方向的变形和支座处的变形。本试验针对于在不同参数条件下对单管塔插接节点弹性抗弯刚度作以分析和研究,通过试验得出各个试件破坏现象图和各阶段下节点侧移图。各阶段下的节点侧移图是在轴压力取值为 1.5%Ny 的情况下,分别对五个试件逐渐增加弯矩荷载来实现的。为了能够更加清晰简单的与有限元计算数据进行分析对比,所以将试验所得出的数据进行优化处理,得到每个试件在 1.5%Ny 轴压力作用下的弯矩与位移的曲线关系。
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第三章 普通钢材单管塔的参数分析…………………..19
3.1 引言……………………19
3.2 插接长度的参数选取………………...19
3.3 插接长度………………...20
第四章 高强钢和铝合金单管塔的参数分析…………………….49
4.1 引言…………………………………49
4.2 高强钢单管塔的参数分析……………...49
第五章 插接长度公式的改进……………....95
5.1 插接长度公式的提出………………95
5.2 插接长度公式的验证………………..100

第五章 插接长度公式的改进

5.1 插接长度公式的提出
根据对第三章普通钢材 Q235 的有限元参数分析得知在不同插接长度下厚度 t、长径比 L/D、锥度 i 以及截面形状对试件承载力和刚度的影响较大,同时,与连续钢管的对比中发现不同的插接长度对试件的承载力和刚度影响也是不同的。本章在前文研究的基础上,结合田志兵[55]多边形插接式钢管塔的结构优化设计中提出的插接长度的计算公式进行改进。


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第六章  总结与展望

6.1 总结
本文所研究的是插接式单管塔在不同参数变化下插接长度对整个单管塔强度和刚度的影响。根据罗烈、涂望龙等人[28]关于单管塔插接节点抗弯刚度的试验研究的基础上进行有限元分析验证,通过与实际试验的 M-Δ 曲线对比,得出有限元与试验分析的差距不是很大,验证了有限元分析的准确性和可靠性。在此基础上,分析了插接长度、厚度、截面形状、长径比、锥度、摩擦系数和轴压力这些参数在三种不同材质下对试件承载力和刚度的影响。同时,通过对比三种不同材料的强度来分析强度对试件抗弯性能的影响。通过本文的分析,得出以下结论:
(1)以标准图集的尺寸为准,插接长度对整个单管塔的承载力和刚度有较为显著的影响,即插接长度可以提高单管塔的承载力和刚度,只是在插接长度的研究不仅要考虑到结构整体承载力和刚度的影响,还应注意结构的用钢量,避免造成不必要的浪费。
(2)通过对三种不同材质的参数分析表明,摩擦系数和轴压力的增加对试件承载力和刚度的影响较小,曲线基本上重合在一起,可忽略不计;厚度、长径比和锥度的变化对试件承载力和刚度的影响还是较为明显的,即厚度增加、长径比和锥度降低能够提高试件的承载力和刚度,且随着插接长度的增大而显著增大;截面形状对试件承载力和刚度有影响,但影响程度较小,也可忽略不计。
(3)针对不同强度的钢材而言,钢材强度越大会对试件承载力和刚度有一定的提高,与连续钢管的承载力和刚度也就越接近;不同铝合金分别于钢材的承载力和刚度进行对比发现,除了材料属性和本构关系的不同会导致初始刚度和正常使用承载力的不同,随着铝合金强度的增大,极限状态承载力尽管和高强钢 Q460 的相差较大,但是与 Q235 的极限状态承载力是相差不再明显,甚至会超过 Q235 的极限状态承载力,这说明在一定条件下,铝合金可以替换普通钢材 Q235 作为单管塔塔身材质,在很大程度上节省了成本,也可以杜绝材料发生锈蚀和破坏。
参考文献(略)

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