结构工程师专业考试教程：钢塔架和桅杆结构详解

2023-08-28 理论教育版权反馈

【摘要】：钢塔桅结构选用的钢材材质应符合现行国家标准《钢结构设计规范》的要求。钢塔桅结构的钢材及连接强度设计值和钢绞线的强度设计值应按有关国家标准采用，并按表6.11-9折减。钢塔桅结构应有可靠的防雷接地，接地标准应按国家现行有关标准执行。

1.一般规定

钢塔架和桅杆结构（以下简称钢塔桅结构）设计应进行承载力、稳定和变形验算。钢塔桅结构选用的钢材材质应符合现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017）的要求。钢塔桅结构的钢材及连接强度设计值和钢绞线的强度设计值应按有关国家标准采用，并按表6.11-9折减。

表6.11-9 强度设计值折减系数

注：1.λ为中间无联系的单角钢压杆最小回转半径的长细比，当λ＜20时，取λ=20。

2.当几种情况同时存在时，其折减系数应连乘。

3.对肢宽不大于63mm的螺栓连接的角钢，按轴心受力计算强度和连接时，折减系数为0.7。

4.若有试验依据时，折减系数值可适当提高，但须按行业规程统一执行。

钢塔桅结构应做长效防腐蚀处理。一般情况以热浸锌为宜，构件体型特殊且很大时可用热喷锌（铝）复合涂层。钢塔桅结构应有可靠的防雷接地，接地标准应按国家现行有关标准执行。当采用镀锌钢塔塔体作为引下线时，必须保证塔体由避雷针到接地线全线连通，无绝缘涂层。

2.钢塔桅结构的内力分析

钢塔静力分析一般按整体空间桁架法。对于需进行抗震验算的钢塔及安全等级属一级高耸结构的钢塔应进行动力分析。

桅杆的静力分析可用梁索单元或杆索单元非线性有限元法，也可按纤绳节点处为弹性支承的连续压弯杆件计算，并考虑纤绳节点处的偏心弯矩。当桅杆杆身为格构式并按压弯杆件计算时，其刚度应乘以折减系数ξ，折减系数可按下式确定：

式中 l₀——弹性支承点之间杆身计算长度（m）；

i——杆身截面回转半径（m）；

λ₀——弹性支承点之间杆身换算长细比，按表6.11-14计算。

对于需进行抗震计算及安全等级属于一级的高耸结构桅杆应进行非线性动力分析。

当计算所得四边形钢塔斜杆承担的剪力与同层塔柱承担的剪力之比时，斜杆内力取塔柱内力乘系数α（见图6.11-1），α可按下式确定：

当斜杆刚性时，μ=1；当斜杆柔性时，μ=2。

3.钢塔桅结构的变形和整体稳定

钢塔桅结构应进行变形验算，并满足正常使用极限状态的控制条件和对于变形控制的高耸结构采用振动控制技术的要求[详见6.11.1节2（3）]。桅杆按杆身分枝屈曲临界压力计算的整体稳定安全系数不应低于2.0（荷载与作用为标准值）。对于纤绳上有绝缘子的桅杆，应验算绝缘子破坏后的受力状况，此时可假定纤绳初应力值降低20%，相应的稳定安全系数不应低于1.6。

4.纤绳

桅杆纤绳可按一端连接于杆身的抛物线计算。纤绳上有集中荷载时，可将集中荷载换算成等效均布荷载。纤绳的初应力应综合考虑桅杆变形、杆身的内力和稳定以及纤绳承载力等因素确定，宜在100～250N/mm²范围内选用。

纤绳的截面强度应按下式验算：

图6.11-1 斜杆最小内力限值计算

图中：V、M—层顶剪力、弯矩 b—层顶宽度 θ—塔柱与铅直线之夹角 h—所计算截面以上塔体高度

式中 N——纤绳拉力设计值（N）；

A——纤绳的钢丝绳截面面积（mm²）；

f_w——钢丝绳强度设计值（N/mm²）。

5.轴心受拉和轴心受压构件

（1）验算公式和要求轴心受拉和轴心受压构件的截面强度验算，以及轴心受压构件的稳定性验算详见本书的钢结构部分有关公式。所有对地夹角不大于30°的杆件，应能承受跨中1kN检修荷载。此时，不与其他荷载组合。

（2）构件长细比单角钢的弦杆和斜杆长细比λ分别按表6.11-10和表6.11-11采用，横杆和横膈长细比λ按表6.11-12采用。双角钢、T形及十字形截面按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017）考虑扭转及弯扭屈曲时采用等效长细比计算。

表6.11-10 塔架和桅杆的弦杆长细比λ

表6.11-11 塔架和桅杆的斜杆长细比λ

（续）

表6.11-12 横杆和横膈长细比λ

构件的长细比λ不应超过表6.11-13的规定：

表6.11-13 构件长细比λ限值

格构式轴心受压构件的稳定性验算时，绕虚轴长细比应采用换算长细比λ₀，λ₀应按表6.11-14计算。

表6.11-14 格构式构件换算长细比λ₀

注：1.缀板式构件的单肢长细比λ₁不应大于40。

2.斜缀条与构件轴线间的倾角应保持在40°～70°范围内。

3.缀条式轴心受压格构式构件的单肢长细比λ₁不应大于构件双向长细比的0.7倍；缀板式轴心受压格构式构件的单肢长细比λ₁不应大于构件双向长细比的0.5倍。

6.偏心受拉和偏心受压构件

拉弯和压弯构件的截面强度，当弯矩作用在主平面时，验算公式参见本书钢结构部分。压弯构件的稳定性，其弯矩作用在主平面时，应分别按弯矩作用平面内和弯矩作用平面外进行验算。验算公式详见本书第3章式（3.3-50a）和式（3.3-50b），其中构件等效弯矩系数β_mx和β_tx按表6.11-15的规定采用。

表6.11-15 等效弯矩系数β_mx和β_tx

格构式压弯构件应按下式验算单肢的强度和稳定性：

式中 n——单肢数目；

N_m——截面弯矩在单肢中引起的轴力（N）；

A_nu——单肢净截面面积（mm²）；

A_u——单肢毛截面面积（mm²）。

格构式轴心受压构件的剪力应按下式计算，此剪力值V可认为沿构件全长不变，并由承受该剪力的缀件面分担。

计算格构式压弯构件的缀件时，应取实际最大剪力和按式（6.11-14）的计算剪力两者中的较大者进行计算。缀条的内力应按桁架的腹杆计算。缀板的内力应按下列公式计算，见图6.11-2：

剪力：

弯矩（在和肢件连接处）：

式中 V₁——分配到一个缀板面的剪力（N）；

a——缀板中到中距离（m）；

s——肢件轴线间距（m）。

单管塔受压时，钢管径厚比不应大于100。单管塔受弯时（轴压应力占最大应力值5%以内），考虑到管壁局部稳定影响，当按本书式（3.3-50a）验算弯矩作用平面内稳定时，其设计强度f应乘以修正系数μ_d，μ_d按下式计算：

图6.11-2 缀板的内力

对Q235：

对Q345：

7.焊缝和螺栓连接设计

一般高耸结构不承受疲劳动力荷载，按等强设计工厂焊缝宜采用熔透的二级对接焊缝。二级及以上对接焊缝按国家现行标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81要求做无损探伤，三级对接焊缝和角焊缝做外观检查。对于安全等级为一级的高耸结构或承受疲劳动力荷载的高耸结构，其焊缝等级应提高一级。

焊缝和螺栓的计算参见本书钢结构部分。

8.钢塔桅结构的构造要求

（1）一般规定钢塔桅结构的构造设计应充分考虑施工的可行性。钢塔桅结构应采取防锈措施，在可能积水的部分必须设置排水孔。对管形和其他封闭形截面的构件，当采用热喷铝或油漆防锈时端部应密封，当采用热镀锌防锈时端部不得密封。在锌液易滞留的部位应设溢流孔。

钢塔桅结构选型应使传力明确，并尽量减小次应力影响，节点处各杆件的内力宜交汇于一点；其节点构造应简单紧凑。角钢塔的腹杆应伸入弦杆（钢管塔腹杆用相贯线焊缝焊于弦杆上），钢塔腹杆应直接与弦杆相连，或用不小于腹杆厚度的节点板连接；当采用螺栓连接时腹杆与弦杆间的净距离不宜小于10mm。

钢塔桅结构主要受力构件（包括塔柱、横杆、斜杆及横膈）及其连接件宜符合下列要求：

1）钢板厚度不小于5mm。

2）角钢截面不小于∠45×4。

3）圆钢直径不小于φ16。

4）钢管壁厚不小于4mm。

钢塔桅结构截面的边数不小于4时，应按结构计算要求设置横膈。当塔柱及其连接抗弯刚度较大时，可按构造要求设置横膈，宜每隔2～3节设置一道横膈；在塔柱变坡处，桅杆运输单元的两端及纤绳节点处宜设置横膈。横膈必须具有较好的刚度。

（2）焊缝连接焊接材料的强度宜与主体钢材的强度相适应。当不同强度的钢材焊接时，宜按强度低的钢材选择焊接材料。当大直径圆钢对接焊时，宜采用铜模电渣焊及熔槽焊，也可用“X”形坡口电弧焊。对接焊缝强度不应低于母材强度。当钢管对接焊接时，焊缝强度不应低于钢管的母材强度。

焊缝的布置应对称于构件重心，避免立体交叉和集中在一处。焊缝的坡口形式应根据焊件尺寸和施工条件按现行有关标准的要求确定，并应符合下列规定：

1）钢板对接的过渡段的坡度不得大于1∶2.5。

2）钢管或圆钢对接的过渡段长度不得小于直径差的2倍。

角焊缝的尺寸应符合下列要求：

1）角焊缝的焊脚尺寸h_f不得小于，t为较厚焊件的厚度（mm），并不得大于较薄焊件厚度的1.2倍。自动焊的角焊缝最小焊脚尺寸可减小1mm；T形连接的单面角焊缝应增加1mm。当焊件厚度小于或等于4mm时，最小焊脚尺寸可取与焊件厚度相同。

2）焊件边缘的角焊缝最大焊脚尺寸，当焊件厚度t≤6mm时，取h_f≤t；当焊件厚度t＞6mm时取h_f≤t-（1～2）mm。圆孔或槽孔的角焊缝焊脚尺寸尚不宜大于圆孔直径或槽孔短径的1/3。

3）侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不应小于8h_f和40mm；并不应大于40h_f。若内力沿侧面角焊缝全长分布，则计算长度不受此限。

圆钢与圆钢、圆钢与钢板（或型钢）间的角焊缝有效厚度，不宜小于圆钢直径的0.2倍（当两圆钢直径不同时，取平均直径），又不宜小于3mm，并不大于钢板厚度的1.2倍；计算长度不应小于20mm。

塔桅结构构件端部的焊缝可采用围焊，所有围焊的转角处必须连续施焊。

（3）螺栓连接构件采用螺栓连接时，连接螺栓的直径不应小于12mm，每一杆件在接头一端的螺栓数不宜小于2个，连接法兰盘的螺栓数不应小于3个。对桅杆的腹杆或格构式构件的缀条与弦杆的连接及钢塔中相当于精制螺栓的销连接可用一个螺栓。弦杆角钢连接，在接头一端的螺栓数不宜少于6个。螺栓的排列和允许距离应符合表6.11-16的要求。

表6.11-16 螺栓的排列和允许距离

（续）

注：1.d₀为螺栓或铆钉的孔径，t为外层较薄板件的厚度。

2.钢板边缘与刚性构件（如角钢、槽钢等）相连的螺栓或铆钉的最大间距，可按中间排的数值采用。

3.若有试验依据时，螺栓的允许距离可适当调整，但须按行业规程统一实行。

受剪螺栓的螺纹不宜进入剪切面，受拉螺栓及位于受振动部位的螺栓应采取防松措施。高耸钢结构中受拉螺栓应用双螺母防松，其他用扣紧螺母防松。靠近地面的塔柱和拉线的连接螺栓，宜采取防拆卸措施。

（4）法兰盘连接当圆钢或钢管与法兰盘焊接且设置加劲肋时，加劲肋的厚度除应满足支承法兰板的受力要求及焊缝传力要求外，还不宜小于肋长的1/15，并不宜小于5mm。加劲肋与法兰板及钢管交汇处应切除直角边长不小于20mm的三角，以避免三向焊缝交叉。塔柱由角钢或其他格构式杆件组成时，塔柱与法兰盘的连接构造和计算应与柱脚相同。

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