山地輸電塔模型設計與制作方法初探

李秀 李浩 李鵬 陳儉勇

（武漢職業技術學院，湖北 武漢 430074）

1 賽題背景和概述

第七屆湖北省大學生結構設計競賽賽題為 “山地輸電塔模型”，以近年來能源開發的技術進步和廣泛應用為背景，立足于結構設計極限狀態 （承載力極限狀態和正常使用極限狀態）基本概念，進行剛柔并濟的結構設計理念，激發大學生創新能力、動手能力、思維能力等多種綜合能力的培養。

2 模型材料和工具

山地輸電塔模型包括加載臺和底座、模型主體及兩個低掛點和一個高掛點主體等幾大部分，模型結構形式由參賽隊員自行設計，滿足賽題給定條件尺寸要求即可。在規定時間內手工完成模型制作，結構給定材料有：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，打磨杄件節點處接觸面以增加接觸，但是打磨時需謹慎打磨以免露出竹皮絲狀物。

3 模型設計與制作

1）選型與設計。建筑物的結構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濟性非常重要的因素。本次模型采用變截面、格構式結構體系。格構式截面具有承載力大，穩定性好、質量輕、抗風性能優良等優點；變截面的設計使得結構具有較好的抗扭剛度，本次設計任務的主要荷載工況表現為較大的扭轉效應。

本模型設計方案借鑒和參考高壓輸電塔真實的實物設計方案。在眾多鐵塔的類型中，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、直線塔、轉角塔、“A”型換位塔、（更換導線相位位置塔）、終端塔和跨越塔等。根據競賽任務書的要求和加載工況，我們選擇較為簡易的類 “A”型構造作為本次模型設計的參考方案。本模型設計方案借鑒和參考高壓輸電塔真實的實物設計方案，選擇類 “A”型構造的理由是：1）能滿足荷載工況的高掛點、低掛點的基本要求，構造比較簡易。2）手工制作時間限制，在16個小時內完成模型的制作。3）質量較輕，構件的數量比較少，總質量易于控制。

本設計塔頭部分采用四棱錐的空間結構形式，頂點設為高掛點和水平側向力的加載位置。基于結構幾何組成分析，每個面采用三角形組成滿足幾何穩定性要求。在錐型節點的連接處理上采用截面削切嚴密對接，輔以竹粉粘結牢固.在低掛點的選型中，我們采用懸挑桁架的的形式，外伸長度約33cm。在橫擔結構中，上弦桿主要受到拉力作用，所以在節點處理上需要加強，截面形式采用方形桿，質量較輕。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，以保證受壓不發生失穩破壞。

塔身部位采用交叉斜腹桿作為主要結構形式，四面空間做法一樣。經過試驗驗證交叉斜腹桿的抗扭性能比較好，但是在試驗加載的現實表現中可以明顯看出：不同方向的斜腹桿受力不同，根據水平力偶產生扭矩的方向不同，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結構的承載和變形都沒有太大影響。基于此，在拉桿采用紙皮拉結構造，對壓桿進行加強采用較大尺寸或者較厚壁厚的措施以防止壓桿施壓失穩破壞。

塔腳采用 “K”型空間加強型節點構造，在參考真實的高壓輸電塔的結構選型，發現大部分的塔腳都采用 “K”型節點，因此本次模型采用此種結構形式作為塔腳構造。通過試驗發現，“K”型節點的受力比較好，在抗扭和雙向抗彎的荷載作用下表現比較好。因此本次在 “K”型節點的基礎上再進行空間支撐加強以保證塔腳的安全性。

在平面布置中，考慮到實際的荷載工況，結構收到的扭轉作用非常強烈，通過仿真模擬發現四邊形 （方形）平面的抗扭剛度比較大，抗彎剛度也比較大，因此模型實際采用四邊形的截面形式，底部的邊長尺寸為207mm。

桿件的截面形式常見的有矩形、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，因為剛度不夠，容易折斷。一般都是在在杄件內部加肋，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上，減少模型整體自重，以提高整體穩定性。矩形截面中間空心大，受偏心力時易失穩。

2）縫隙填塞 為了盡可能減輕模型的質量，節點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粉進行連接，然后適當的滴上少量的膠水即可。

3）節點加強處理 模型節點處受力復雜，是整個結構模型中的薄弱環節，因此在結構設計與制作時還應綜合考慮各方面因素來選擇適合的方法加強節點連接。提高模型節點處承載能力的常用方法有：貼薄片法、加楔法、交錯粘貼法、拉竹條法叫和裹絲狀竹材法。

4 模型制作常見問題

①桿件長細比過大易破壞。在做主桿件時，采用分段桿件解決失穩問題，以提高主體模型的剛度和穩定性。②模型易發生扭矩破壞。用 “拉竹條發”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模型塔腳易失穩破壞。“K”型節點的受力比較好，在抗扭和雙向抗彎的荷載作用下表現比較好。因此在 “K”型節點的基礎上再進行空間支撐加強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致結構整體出現傾覆破壞，在節點實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 結語

大學生結構設計大賽是一個綜合性較強的競賽，對于學生的力學能力、手工制作、團隊溝通協作以及學生吃苦耐勞等多種能力至關重要。