山地輸電塔模型設(shè)計(jì)與制作方法初探

李秀 李浩 李鵬 陳儉勇

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 賽題背景和概述

第七屆湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題為 “山地輸電塔模型”，以近年來(lái)能源開(kāi)發(fā)的技術(shù)進(jìn)步和廣泛應(yīng)用為背景，立足于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極限狀態(tài) （承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)）基本概念，進(jìn)行剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、思維能力等多種綜合能力的培養(yǎng)。

2 模型材料和工具

山地輸電塔模型包括加載臺(tái)和底座、模型主體及兩個(gè)低掛點(diǎn)和一個(gè)高掛點(diǎn)主體等幾大部分，模型結(jié)構(gòu)形式由參賽隊(duì)員自行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足賽題給定條件尺寸要求即可。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)手工完成模型制作，結(jié)構(gòu)給定材料有：502膠水、砂紙、切割刀、直尺、三角尺、量角器、鉛筆、橡皮擦、鑷子、橡膠手套等等。允許使用砂紙打磨桿件端部以獲得所需要的杄件精確尺寸，打磨杄件節(jié)點(diǎn)處接觸面以增加接觸，但是打磨時(shí)需謹(jǐn)慎打磨以免露出竹皮絲狀物。

3 模型設(shè)計(jì)與制作

1）選型與設(shè)計(jì)。建筑物的結(jié)構(gòu)體系不僅決定了荷載的傳遞方向，而且是決定建筑物安全性和經(jīng)濟(jì)性非常重要的因素。本次模型采用變截面、格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系。格構(gòu)式截面具有承載力大，穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕、抗風(fēng)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)；變截面的設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度，本次設(shè)計(jì)任務(wù)的主要荷載工況表現(xiàn)為較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

本模型設(shè)計(jì)方案借鑒和參考高壓輸電塔真實(shí)的實(shí)物設(shè)計(jì)方案。在眾多鐵塔的類(lèi)型中，按其形狀一般分為：酒杯型、貓頭型、上字型、干字型和桶型五種，按用途分有：耐張塔、直線(xiàn)塔、轉(zhuǎn)角塔、“A”型換位塔、（更換導(dǎo)線(xiàn)相位位置塔）、終端塔和跨越塔等。根據(jù)競(jìng)賽任務(wù)書(shū)的要求和加載工況，我們選擇較為簡(jiǎn)易的類(lèi) “A”型構(gòu)造作為本次模型設(shè)計(jì)的參考方案。本模型設(shè)計(jì)方案借鑒和參考高壓輸電塔真實(shí)的實(shí)物設(shè)計(jì)方案，選擇類(lèi) “A”型構(gòu)造的理由是：1）能滿(mǎn)足荷載工況的高掛點(diǎn)、低掛點(diǎn)的基本要求，構(gòu)造比較簡(jiǎn)易。2）手工制作時(shí)間限制，在16個(gè)小時(shí)內(nèi)完成模型的制作。3）質(zhì)量較輕，構(gòu)件的數(shù)量比較少，總質(zhì)量易于控制。

本設(shè)計(jì)塔頭部分采用四棱錐的空間結(jié)構(gòu)形式，頂點(diǎn)設(shè)為高掛點(diǎn)和水平側(cè)向力的加載位置?；诮Y(jié)構(gòu)幾何組成分析，每個(gè)面采用三角形組成滿(mǎn)足幾何穩(wěn)定性要求。在錐型節(jié)點(diǎn)的連接處理上采用截面削切嚴(yán)密對(duì)接，輔以竹粉粘結(jié)牢固.在低掛點(diǎn)的選型中，我們采用懸挑桁架的的形式，外伸長(zhǎng)度約33cm。在橫擔(dān)結(jié)構(gòu)中，上弦桿主要受到拉力作用，所以在節(jié)點(diǎn)處理上需要加強(qiáng)，截面形式采用方形桿，質(zhì)量較輕。下弦桿在荷載作用下主要受壓力作用，采用多層圓桿截面形式，中間輔以短支撐，以保證受壓不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

塔身部位采用交叉斜腹桿作為主要結(jié)構(gòu)形式，四面空間做法一樣。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證交叉斜腹桿的抗扭性能比較好，但是在試驗(yàn)加載的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)中可以明顯看出：不同方向的斜腹桿受力不同，根據(jù)水平力偶產(chǎn)生扭矩的方向不同，得出一桿受拉，一桿受壓。受壓桿件受到壓力很大，易被壓屈破壞，受拉桿件一般拉力較小乃至去掉拉桿對(duì)結(jié)構(gòu)的承載和變形都沒(méi)有太大影響?；诖?，在拉桿采用紙皮拉結(jié)構(gòu)造，對(duì)壓桿進(jìn)行加強(qiáng)采用較大尺寸或者較厚壁厚的措施以防止壓桿施壓失穩(wěn)破壞。

塔腳采用 “K”型空間加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，在參考真實(shí)的高壓輸電塔的結(jié)構(gòu)選型，發(fā)現(xiàn)大部分的塔腳都采用 “K”型節(jié)點(diǎn)，因此本次模型采用此種結(jié)構(gòu)形式作為塔腳構(gòu)造。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“K”型節(jié)點(diǎn)的受力比較好，在抗扭和雙向抗彎的荷載作用下表現(xiàn)比較好。因此本次在 “K”型節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行空間支撐加強(qiáng)以保證塔腳的安全性。

在平面布置中，考慮到實(shí)際的荷載工況，結(jié)構(gòu)收到的扭轉(zhuǎn)作用非常強(qiáng)烈，通過(guò)仿真模擬發(fā)現(xiàn)四邊形 （方形）平面的抗扭剛度比較大，抗彎剛度也比較大，因此模型實(shí)際采用四邊形的截面形式，底部的邊長(zhǎng)尺寸為207mm。

桿件的截面形式常見(jiàn)的有矩形、圓形、三角形等形狀。為得到更大的抗彎剛度，截面一般很少做成空心，因?yàn)閯偠炔粔?，容易折斷。一般都是在在杄件內(nèi)部加肋，里面可整體加肋也可以分段加肋，分段加肋在考慮剛度的基礎(chǔ)上，減少模型整體自重，以提高整體穩(wěn)定性。矩形截面中間空心大，受偏心力時(shí)易失穩(wěn)。

2）縫隙填塞 為了盡可能減輕模型的質(zhì)量，節(jié)點(diǎn)縫隙較大處是用帶纖維的竹皮連接，若是較小的縫隙采用竹皮磨成細(xì)粉進(jìn)行連接，然后適當(dāng)?shù)牡紊仙倭康哪z水即可。

3）節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)處理 模型節(jié)點(diǎn)處受力復(fù)雜，是整個(gè)結(jié)構(gòu)模型中的薄弱環(huán)節(jié)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作時(shí)還應(yīng)綜合考慮各方面因素來(lái)選擇適合的方法加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接。提高模型節(jié)點(diǎn)處承載能力的常用方法有：貼薄片法、加楔法、交錯(cuò)粘貼法、拉竹條法叫和裹絲狀竹材法。

4 模型制作常見(jiàn)問(wèn)題

①桿件長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大易破壞。在做主桿件時(shí)，采用分段桿件解決失穩(wěn)問(wèn)題，以提高主體模型的剛度和穩(wěn)定性。②模型易發(fā)生扭矩破壞。用 “拉竹條發(fā)”分散模型扭矩方向的受到集中荷載作用，在主體模型里加斜撐也能抵抗扭矩。③模型塔腳易失穩(wěn)破壞。“K”型節(jié)點(diǎn)的受力比較好，在抗扭和雙向抗彎的荷載作用下表現(xiàn)比較好。因此在 “K”型節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行空間支撐加強(qiáng)以保證塔腳的安全性。④ 柱腳與底板連接處易脫離。防止柱腳與底板脫離導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)傾覆破壞，在節(jié)點(diǎn)實(shí)際處理中采用增大接觸面積，使用多層較大面積的竹片與柱腳相連，并輔以竹粉以及單層薄紙片粘接加固以防松脫，最后安裝螺釘即可。

5 結(jié)語(yǔ)

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的競(jìng)賽，對(duì)于學(xué)生的力學(xué)能力、手工制作、團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作以及學(xué)生吃苦耐勞等多種能力至關(guān)重要。