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一种薄壁离心 混凝土 钢管塔补强的方法

阅读：928发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，包括以下实验步骤：S1杆塔1：按设计尺寸，全焊透焊缝，无加强筋板；S2杆塔2：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，无加强筋板；S3杆塔3：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带6条加强筋板，筋板厚度为9mm；S4杆塔4：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带6条加强筋板，筋板厚度为12mm；S5杆塔5：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带8条加强筋板，筋板厚度为9mm；S6杆塔6：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带8条加强筋板，筋板厚度为20mm。，下面是一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，包括以下实验步骤：
S1杆塔1：按设计尺寸，全焊透焊缝，无加强筋板；
S2杆塔2：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，无加强筋板；
S3杆塔3：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带6条加强筋板，筋板厚度为
9mm；
S4杆塔4：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带6条加强筋板，筋板厚度为
12mm；
S5杆塔5：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带8条加强筋板，筋板厚度为
9mm；
S6杆塔6：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带8条加强筋板，筋板厚度为
20mm。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，其特征在于：薄壁离心混凝土杆塔为两根，且规格为Ф650×6000mm，板厚8㎜，且模拟1/2 壁厚整圈未焊透缺陷，焊接后进行超声波探伤检验，其中一根在养护期满后在焊缝处进行补强加固焊接。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，其特征在于：混凝土强度为：C40，为公司常用混凝土，施工配合比：1:1.43:2.62:0.33，单方混凝土水泥用量
460Kg，实测坍落度48mm，脱模强度34.5MPa，28天抗压强度48.6MPa。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，其特征在于：试验杆塔有两个，分别称为杆塔2和杆塔3，两个实验杆塔的总体尺寸是相同的，区别在于杆塔2没有加强筋板，杆塔3有加强筋板，且试验杆塔为等截面。
5.根据权利要求4所述的一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，其特征在于：塔总体高度为6m；钢管内外直径分别为634mm和650mm，即钢管壁厚为8mm；混凝土内外直径分别为
554mm和634mm，即混凝土壁厚为40mm；在杆塔距离法兰底部420mm处有一条环形焊缝；杆塔3在环形焊缝处有6块沿环向等间距分布的加强筋板，加强筋板在沿杆塔高度、径向和环向的尺寸分别为150mm、80mm和10mm。
6.根据权利要求4所述的一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，其特征在于：包括以下测验步骤：
（1）通过系在加载座的钢丝绳施加荷载，钢丝绳对杆塔的加载点位置到钢管外壁为
10mm，与杆塔顶部基本同高；钢丝绳与杆塔轴线的夹角为79.094°；
（2）应变片位置：为了测试加载过程中钢管外壁在环向焊缝处的应变，应变片粘贴在钢管外壁受拉边和受压边的环向焊缝处；沿杆塔轴向选择5个高度，每个高度上在弯曲对称面的两侧各粘贴1片，应变片的轴向间距为50mm，这样每边各粘贴10个应变片；
对于无加强筋板的杆塔2受拉边的应变片位置见图1，受压边的应变片位置见图2，对于有加强筋板的杆塔3，应变片的位置与杆塔2相同；
（3）加载与应变测试：正式试验之前先进行一次预加载，然后进行分级加载，对每级荷载记录测点的应变。

说明书全文

一种薄壁离心混凝土 钢管塔补强的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及混凝土钢管技术领域，主要涉及一种薄壁离心混凝土钢管塔。

背景技术

[0002] 无拉线杆塔以其简洁的结构形式、优美的外观造型、占地少、安装方便等优点在输电线路上得到了广泛应用。本着技术先进、安全可靠、经济高效的原则，杆体材料的应用也逐步向高强钢方面发展，如一些线路采用的Q345钢、Q460钢钢管杆。不同结构形式的钢管杆经济性和安全性具有很大差别，因此，必须在设计阶段比较不同形式杆塔的经济性，在制造安装阶段严把质量关，确保电网安全经济运行。特别是一些新型的钢管杆结构如离心成型的空心钢管混凝土结构，如果忽视生产质量，将会造成不可估量的安全事故。

发明内容

[0003] 1.技术问题

[0004] 本发明通过通过杆塔弯曲，试验了解杆塔焊缝附近区域的变形规律，验证有限元模拟方法的合理性、模拟结果的精度以及补强方法的可行性。

[0005] 2.技术方案

[0006] 一种薄壁离心混凝土钢管塔补强的方法，包括以下实验步骤：

[0007] S1杆塔1：按设计尺寸，全焊透焊缝，无加强筋板；

[0008] S2杆塔2：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，无加强筋板；

[0009] S3杆塔3：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带 6条加强筋板，筋板厚度为9mm；

[0010] S4杆塔4：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带 6条加强筋板，筋板厚度为12mm；

[0011] S5杆塔5：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带 8条加强筋板，筋板厚度为9mm；

[0012] S6杆塔6：按设计尺寸，焊缝存在整圈1/2壁厚未焊透缺陷，带 8条加强筋板，筋板厚度为20mm；

[0013] 进一步的，薄壁离心混凝土杆塔为两根，且规格为Ф650×6000mm，板厚8㎜，且模拟1/2壁厚整圈未焊透缺陷，焊接后进行超声波探伤检验，其中一根在养护期满后在焊缝处进行补强加固焊接。

[0014] 进一步的，混凝土强度为：C40，为公司常用混凝土，施工配合比：1:1.43:2.62:0.33，单方混凝土水泥用量460Kg，实测坍落度48mm，脱模强度34.5MPa，28天抗压强度
48.6MPa。

[0015] 进一步的，试验杆塔有两个，分别称为杆塔2和杆塔3，两个实验杆塔的总体尺寸是相同的，区别在于杆塔2没有加强筋板，杆塔3 有加强筋板，且试验杆塔为等截面。

[0016] 进一步的，塔总体高度为6m；钢管内外直径分别为634mm和650mm，即钢管壁厚为8mm；混凝土内外直径分别为554mm和634mm，即混凝土壁厚为40mm；在杆塔距离法兰底部
420mm处有一条环形焊缝；杆塔3在环形焊缝处有6块沿环向等间距分布的加强筋板，加强筋板在沿杆塔高度、径向和环向的尺寸分别为150mm、80mm和10mm。

[0017] 进一步的，包括以下测验步骤：

[0018] (1)通过系在加载座的钢丝绳施加荷载，钢丝绳对杆塔的加载点位置到钢管外壁为10mm，与杆塔顶部基本同高；钢丝绳与杆塔轴线的夹角为79.094°。

[0019] (2)应变片位置：为了测试加载过程中钢管外壁在环向焊缝处的应变，应变片粘贴在钢管外壁受拉边和受压边的环向焊缝处；沿杆塔轴向选择5个高度，每个高度上在弯曲对称面的两侧各粘贴1片，应变片的轴向间距为50mm，这样每边各粘贴10个应变片；

[0020] 对于无加强筋板的杆塔2受拉边的应变片位置见图1，受压边的应变片位置见图2，对于有加强筋板的杆塔3，应变片的位置与杆塔 2相同；

[0021] (3)加载与应变测试：正式试验之前先进行一次预加载，然后进行分级加载，对每级荷载记录测点的应变；

[0022] 3.技术效果

[0023] 1、钢管上的应变随荷载增加基本是线性增高，而焊缝上的应变随荷载的变化却没有这种规律性，这表明焊缝处的应力状况比钢管上的应力要复杂。

[0024] 2、数值模拟结果与试验结果以及相关的理论解吻合良好，说明采用的数值模拟方法是可行的。

[0025] 3、采用加强筋板补强后，可以降低焊缝处的应力水平，从对比分析可以看出，沿焊缝周向设置8条加强筋板的补强效果好于6条加强筋板。附图说明

[0026] 图1是本发明杆塔2受拉边应变片位置图；

[0027] 图2是本发明杆塔2受压边应变片位置图；

[0028] 图3是本发明杆塔2和杆塔3的测点5应变对比曲线图；

[0029] 图4是本发明杆塔2受拉边右排5个点的测试应变图；

[0030] 图5杆塔2受拉边左排5个点的测试应变图；

[0031] 图6杆塔3-受拉边右排5个点的测试应变图；

[0032] 图7杆塔3-受拉边左排5个点的测试应变。

具体实施方式

[0033] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。

[0034] 实施例1，杆塔2的测试应变

[0035] 杆塔2的测试应变见表4-1-1和表4-1-2，表中给出了各级加载步的荷载和与各级荷载对应的应变，其中，表4-1-1中是拉伸边的 10个应变测试点的应变，表4-1-2中是压缩边的10个应变测试点的应变。表4-1-1杆塔2拉伸边测试应变

[0036]

[0037]

[0038]

[0039] 表4-1-2杆塔2压缩边测试应变

[0040]

[0041]

[0042] 为了对各测点的应变进行分析，将表4-1-1和表4-1-2中的数据绘制成了曲线。

[0043] 1)拉伸边测点应变分析

[0044] 图4和图5分别为拉伸边两排测点(每排5个测点)的应变。可以看到，图4中的测点3和图5中的测点4的应变随荷载的变化趋势与其他测点不同，特别是测点3，到第2个荷载步26.1kN时，其应变就与其他测点开始偏离，到第5个荷载步55.1kN时，其应变就成为负值，到第80kN时，其应变又成为正值，这与该点处在拉身边的情况是不相符合的。还可以看与测点
2处于同一高度的测点4的应变，在120kN之前，该点应变明显小于其他测点，而之后该点应变又迅速上升，到荷载达到最大时，应变达到7450με。在其他测试点应变正常情况下，由于粘贴或测试等使这两个测点异常的可能性较小，原因应该是这两个测点在环向焊缝上，粘贴之前虽经打磨，但是其平整度还是不如其他测点，另外，在加载过程中曾经观察到拉身边环向焊缝向里凹的现象。另外，这种向里凹的现象与数值模拟结果是一致的。

[0045] 表4-1-3杆塔3拉伸边测试应变

[0046]

[0047]

[0048] 表4-1-4杆塔3压缩边测试应变

[0049]

[0050]

[0051] 拉伸边的10个应变测试点的应变如表7所示，压缩边的10个应变测试点的应变如所示表7，表中给出了各级加载步的荷载和与各级荷载对应的应变。为了对各测点的应变进行分析，将表中的数据绘制成了曲线。

[0052] 1)拉伸边测点应变分析

[0053] 图6和图7分别为拉伸边两排测点(每排5个测点)的应变。

[0054] 综上所述得到：

[0055] 1.加强筋板能改善焊缝处的受力状况，使受拉边的应变明显减小。

[0056] 2.加载过程中观测到焊缝变形较大，说明焊缝处的应力较大。

[0057] 3.管上的应变随荷载增加基本是线性增高，而焊缝上的应变随荷载的[0058] 4.变化却没有这种规律性，这表明焊缝处的应力状况比钢管上的要复杂。

[0059] 实施例2，杆塔1的整体尺寸如第2节所述。按照钢管全焊透考虑，则截面尺寸为：

[0060] 钢管外半径：rso＝325mm

[0061] 钢管内半径：rsi＝317.3mm

[0062] 混凝土外半径：rco＝317.3mm

[0063] 混凝土内半径：rci＝277mm

[0064] 取钢管和混凝土的抗压强度设计值为：

[0065] fs＝215MPa，fc＝21.5MPa

[0066] 按照《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》，其试验杆塔的轴心受压极限承载力：

[0067]

[0068] 式中，As,Ac分别为钢管和混凝土的横截面积。

[0069] 杆塔含钢特征：

[0070]

[0071] 受弯极限承载力设计值：

[0072]

[0073] 标准检验弯矩为：M＝544700Nm

[0074] 为了在杆塔的环向焊缝处的标准检验弯矩为544700Nm，则在杆塔上端部施加的水平力为：

[0075]

[0076] 式中，hf为焊缝到杆塔上端部的距离。

[0077] 取钢管的弹性模量为E＝2.06×1011MPa，泊松比μ＝0.3，取混凝土的弹性模量为E＝3.6×1010MPa，泊松比μ＝0.3。

[0078] 4.2.2杆塔1的应力理论解

[0079] 4.2.2.1截面性能

[0080] 钢管壁厚为8mm时的钢管截面惯性矩：

[0081]

[0082] 钢管壁厚为8mm时的钢管截面抗弯模量：

[0083]

[0084] 混凝土壁厚为40mm时的混凝土截面惯性矩：

[0085]

[0086] 混凝土壁厚为40mm时的混凝土截面抗弯模量：

[0087]

[0088] 4.2.2.2钢管和混凝土截面上的弯矩分配和应力

[0089] 因为杆塔横截面为圆截面，所以，假定截面上应变沿y轴呈线性变化，见图4-2-1，首先令应变表达式为：

[0090]

[0091] 则钢管截面上的应力97.6kNσg和混凝土截面上的应力σh分别为[0092]

[0093]

[0094] 钢管截面上的应力d对x轴的弯矩为

[0095]

[0096] 式中，Iz为钢管截面对对x轴的惯性矩

[0097]

[0098] 同理，混凝土截面上的应力对对x轴的弯矩为

[0099]

[0100] 令横截面上的总弯矩为M，则有

[0101] Mg+Mh＝M

[0102] (4-2-12)

[0103] 将式(4-2-10)、式(4-2-11)代入，可解得

[0104]

[0105] 取r＝a, 得钢管截面上(钢管外壁)的最大弯曲应力为：

[0106]

[0107] 取r＝c, 得混凝土截面上(混凝土内壁)的最小弯曲应力为：

[0108]

[0109] 杆塔的端部挠度：

[0110]

[0111] 表4-2-1钢管外表面应力

[0112]

[0113]

[0114] 在混凝土内壁上与环向焊缝对应处，有限元计算的应力为 17.051MPa，按理论计算的应力为17.347MPa，二者相差1.73％。

[0115] 上述分析可以表明，有限元计算结果具有相当好的精度，同时也表明采用的有限元计算方案是可行的。

[0116] 同时可以看到，按照杆塔受力过程中混凝土不开裂假定，混凝土的应力已经超过了其抗拉许用值。这里假定混凝土不开裂是为了将有限元计算结果与理论计算结果对比，以验证计算方案(选用的单元、网格剖分等)是否可行。在下边的有限元计算中将假定受拉边的混凝土是断开的。

[0117] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，因此本发明的实施例只是针对本发明的一个说明示例，无论从哪一点来看本发明的实施例都不构成对本发明的限制。

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