中美標(biāo)準(zhǔn)輸電線路螺栓承壓設(shè)計方法研究

摘" 要：國內(nèi)外輸電鐵塔構(gòu)件常采用螺栓連接。對于同一螺栓連接節(jié)點，采用中標(biāo)和美標(biāo)計算的承載力存在一定差異。該文以1顆6.8級M16粗制C級螺栓為例，按照制圖規(guī)定最小端距，分別依據(jù)中美標(biāo)準(zhǔn)計算承壓并比較其差異，為輸電線路國際工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓輸電塔結(jié)構(gòu)；螺栓連接；承載力；設(shè)計規(guī)范；輸電線路

中圖分類號：TM753" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0142-05

Abstract： Bolts are often used to connect transmission tower components at home and abroad. For the same bolted connection node， there are certain differences in the bearing capacity calculated between the winning bidder and the American standard. This paper takes a 6.8-grade M16 crude Class C bolt as an example. According to the minimum end distance specified in the drawing， the pressure bearing is calculated and the differences are compared according to Chinese and American standards， providing reference for the international engineering design of transmission lines.

Keywords： high-voltage transmission tower structure; bolted connection; bearing capacity; design specification; transmission line

隨著全球化的深入發(fā)展，我國與世界各國的經(jīng)濟(jì)合作日益密切，特別是在工程建設(shè)領(lǐng)域，我國與美國、歐洲等地區(qū)的交流與合作不斷加深。在“一帶一路”倡議的指引下，國內(nèi)輸電線路設(shè)計行業(yè)在國際業(yè)務(wù)板塊取得了顯著突破，成功拓展了包括非洲、亞洲和南美洲的大量國外市場，并出現(xiàn)向大洋洲和歐洲擴(kuò)展的趨勢，呈現(xiàn)出國際市場份額持續(xù)上升的良好態(tài)勢。

輸電塔作為輸電線路工程中的重要組成部分，其穩(wěn)定和安全不僅關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運行，更直接影響到千家萬戶的用電安全和穩(wěn)定。國內(nèi)外輸電鐵塔設(shè)計規(guī)范存在較大不同，國內(nèi)學(xué)者對荷載和角鋼、鋼管構(gòu)件方面做了大量研究[1-7]，對于螺栓連接承載力計算也有一些研究[8-15]，但是研究主要針對建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點而非輸電鐵塔節(jié)點。

對于螺栓節(jié)點計算，中美標(biāo)準(zhǔn)均作出了明確的規(guī)定。美國輸電鐵塔設(shè)計導(dǎo)則ASCE 10—15 Design of Latticed Steel Transmission Structures[16]（以下簡稱“美標(biāo)”）第4章規(guī)定了螺栓連接節(jié)點承載力計算方法，不同螺栓邊距、端距和中心距時均可計算出對應(yīng)承載力。DL/T 5486—2020《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[17]（以下簡稱“中標(biāo)”）第7.1節(jié)規(guī)定了螺栓連接節(jié)點承載力計算方法，DL/T 5442—2020《輸電線路桿塔制圖和構(gòu)造規(guī)定》（以下簡稱“制圖規(guī)定”）[18]第7.1.8節(jié)則規(guī)定了與中標(biāo)計算公式對應(yīng)的螺栓的構(gòu)造邊距、端距和中心距的最小數(shù)值。

國內(nèi)設(shè)計院設(shè)計國際工程時雖然遵照美標(biāo)，由于考慮到國內(nèi)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)圖的制圖習(xí)慣，一般執(zhí)行制圖規(guī)定的構(gòu)造要求。本文基于制圖規(guī)定構(gòu)造端距，以1顆6.8級M16粗制C級螺栓連接Q235、Q355、Q420和Q460鋼材為例，分別按照中標(biāo)和美標(biāo)進(jìn)行孔壁承壓承載力計算，以比較采用2種規(guī)范的差異。

1" 計算方法

美標(biāo)在全球范圍內(nèi)具有重要的影響力，因此廣泛應(yīng)用于國際輸電線路工程中。美標(biāo)的計算體系和方法，相較于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，存在著顯著的差異。美標(biāo)更具有靈活性且注重細(xì)節(jié)，中標(biāo)則通常側(cè)重于統(tǒng)一性、規(guī)范性和實用性，2種標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果也存在較大差異。

美標(biāo)對于螺栓端距、邊距和中心距不進(jìn)行嚴(yán)格的構(gòu)造規(guī)定，而是將參數(shù)納入承載力計算公式中。設(shè)計師在遵循美標(biāo)進(jìn)行螺栓連接設(shè)計時，可以根據(jù)實際情況和工程需求，靈活選擇這些參數(shù)，這種靈活性有助于設(shè)計師在滿足安全性的前提下，優(yōu)化螺栓連接的布局和性能。美標(biāo)將這些幾何參數(shù)與承載力計算公式直接掛鉤，這種設(shè)計思路使得設(shè)計師可以更加精確地評估螺栓連接的承載能力，從而確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。同時，這也要求設(shè)計師在進(jìn)行螺栓連接設(shè)計時，必須充分考慮這些幾何參數(shù)對承載力的影響，以確保設(shè)計的合理性和有效性。

中標(biāo)在螺栓連接設(shè)計方面采取了與美標(biāo)截然不同的思路。制圖規(guī)定對螺栓端距、邊距和中心距等幾何參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的構(gòu)造規(guī)定，這些規(guī)定構(gòu)成了中標(biāo)承載力計算公式的基礎(chǔ)。國內(nèi)工程設(shè)計必須嚴(yán)格遵守這些構(gòu)造要求以確保螺栓連接在設(shè)計荷載下的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)計師只能在此邊界條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對于中國設(shè)計師而言，如果采用中標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行國際工程投標(biāo)和設(shè)計，可能會面臨一些挑戰(zhàn)。特別是在工程經(jīng)濟(jì)性方面，中標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的構(gòu)造規(guī)定可能會增加材料的使用量，從而導(dǎo)致工程成本的上升。

本章將總結(jié)梳理美標(biāo)和中標(biāo)螺栓連接節(jié)點承壓承載力計算公式。

1.1" 美標(biāo)

本節(jié)介紹美標(biāo)中螺栓承壓承載力計算方法，以及端距對于承壓承載力的制約，由于鉆孔和沖孔工藝對于承壓承載力有影響，因此也將介紹美標(biāo)和國際工程對于螺栓成孔方面的要求。

1.1.1" 承載力

美標(biāo)第4.4條規(guī)定了一顆螺栓的承壓承載力計算方法，最大承載應(yīng)力計算為螺栓上的力除以螺栓直徑乘以連接部件厚度的乘積，不得超過連接部件或螺栓規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度Fu的1.5倍，將其改寫為公式型，如式（1）所示。

P/（d·t）≤1.5Fu，（1）

式中：P為螺栓荷載設(shè)計值，N；d為螺栓桿直徑，mm；t為連接部件的厚度，mm；Fu為構(gòu)件的規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度，N/mm2。

1.1.2" 端距

美標(biāo)第4.5條則規(guī)定了最小端距的計算值。對于受力構(gòu)件，從孔中心到端部測量的距離e，無論該端部是垂直于力線還是傾斜于力線，都不應(yīng)小于emin值，emin值由式（2）—式（4）確定的最大值

e=1.2P/（Fut），（2）

e=1.3d，（3）

e=t+d/2，（4）

式中：Fu為連接部件的規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度，N/mm2；t為連接部分的厚度，mm；d為螺栓公稱直徑，mm；P為螺栓傳遞的力，N。

值得注意的是如果采用鉆孔工藝，則式（4）不適用于受力構(gòu)件或輔助材料。

1.1.3" 制孔方式

美標(biāo)為了確保螺栓連接的承載力，對于沖孔螺栓邊距制定了具體的公式要求，以防止制造缺陷（如沖孔導(dǎo)致的微小裂紋或材料損傷）降低連接的可靠性，因此對邊距做出式（4）的要求，而對于鉆孔的螺栓邊距則無須考慮式（4）。因此，要求采用美標(biāo)設(shè)計的國際工程中螺栓孔的制孔方式是設(shè)計師需要重視的問題。

由于美標(biāo)對于鉆孔制孔鋼板的厚度范圍內(nèi)并未做出明確規(guī)定，在國際工程中不同地區(qū)和項目制孔方式的選擇可能有所不同，設(shè)計師需要仔細(xì)閱讀工程標(biāo)書，了解具體的制孔方式要求。如果標(biāo)書中未明確提及制孔方式，設(shè)計師應(yīng)在設(shè)計文件中明確指定，以確保制造加工符合設(shè)計要求，避免潛在的承載力問題。

綜上所述，設(shè)計師在國際工程中處理螺栓孔制孔問題時，應(yīng)仔細(xì)閱讀標(biāo)書要求，了解美標(biāo)及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，確保設(shè)計文件的明確性和準(zhǔn)確性。同時，還需根據(jù)工程實際情況選擇合適的制孔方式，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

1.2" 中標(biāo)

中標(biāo)鐵塔的螺栓端距離必須嚴(yán)格執(zhí)行制圖規(guī)定要求，這是為了確保螺栓連接的承壓承載力能夠達(dá)到中標(biāo)承載力設(shè)計值。而GB/T 2694—2018《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》[19]（以下簡稱“鐵塔制造條件標(biāo)準(zhǔn)”）和中標(biāo)則對于不同厚度鋼材的制孔方式做出明確的規(guī)定。設(shè)計人員只需要嚴(yán)格遵守執(zhí)行以上規(guī)范即可。

這種設(shè)計方式造成了一個結(jié)果就是設(shè)計師進(jìn)行螺栓節(jié)點的優(yōu)化空間非常小，設(shè)計人員的主觀能動性也在一定程度上受到限制，因此也常能看到國際工程中采用中標(biāo)計算的鐵塔塔重指標(biāo)高于采用美標(biāo)鐵塔塔重指標(biāo)的現(xiàn)象。

1.2.1" 承載力

中標(biāo)第7.1.1條規(guī)定了在滿足制圖規(guī)定要求時，螺栓連接中的承壓承載力設(shè)計值按式（5）計算

N=d·∑tf，（5）

式中：N為每個螺栓的承壓承載力設(shè)計值，N；d為螺栓桿直徑，mm；∑t為在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度，mm；f為構(gòu)件孔壁與螺桿的承壓強(qiáng)度設(shè)計值的較小值，N/mm2。

1.2.2" 端距

制圖規(guī)定第7.1.8節(jié)對螺栓端距和中心距進(jìn)行了嚴(yán)格的要求，由于本文研究內(nèi)容只涉及螺栓端距，因此僅列出文中涉及螺栓的最小端距，M16、M20和M24螺栓的最小端距分別為25、30、40 mm。

1.2.3" 制孔方式

采用中標(biāo)的承載力計算公式時需與制圖規(guī)定的構(gòu)造要求和中標(biāo)的制孔方式相匹配。制圖規(guī)定的構(gòu)造要求即為第7.1.8節(jié)對螺栓端距、邊距和中心距的要求。

螺栓孔制孔方式在鐵塔制造條件標(biāo)準(zhǔn)和中標(biāo)2本現(xiàn)行規(guī)范中均有提及且存在一定差異。鐵塔制造條件標(biāo)準(zhǔn)第6.4.2條規(guī)定了厚度大于16 mm的Q235鋼材、厚度大于14 mm的Q355鋼材、厚度大于12 mm的Q420鋼材、所有厚度的Q460鋼材及掛線孔均應(yīng)采用鉆孔。中標(biāo)第8.1.13條則更新了規(guī)定，厚度大于14 mm的Q235鋼材、厚度大于12 mm的Q355鋼材、厚度大于10 mm的Q420鋼材、所有厚度的Q460鋼材及掛線孔均應(yīng)采用鉆孔。中標(biāo)執(zhí)行時間晚于鐵塔制造條件標(biāo)準(zhǔn)，因此工程中制孔一般執(zhí)行中標(biāo)。

2" 計算實例

由上節(jié)可知中標(biāo)和美標(biāo)螺栓承壓承載力計算公式形式存在較大差異，本節(jié)將以1顆6.8級M16粗制C級螺栓為例，比較不同鋼材等級和鋼材厚度下中美2種規(guī)范螺栓承壓承載力計算結(jié)果。

2.1" 邊界條件

為了排除其他因素，只比較2種規(guī)范螺栓承壓承載力的差異，因此對螺栓端距、制孔方式和鋼材力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行約定。

2.1.1" 螺栓端距

由于國內(nèi)鐵塔結(jié)構(gòu)圖制圖習(xí)慣為采用制圖規(guī)定，因此本文計算時螺栓端距以國內(nèi)通用的制圖規(guī)定最小端距。

2.1.2" 制孔方式

本文承載力為基于采用鉆孔方式制螺栓孔的孔壁承壓承載力。

2.1.3" 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

由于國內(nèi)鋼材價格即使加上運輸成本較國際鋼材價格仍有較大優(yōu)勢，因此，國內(nèi)設(shè)計院承擔(dān)的工程幾乎全部采購國內(nèi)鋼材，鋼材的制造標(biāo)準(zhǔn)也采用中國標(biāo)準(zhǔn)。本文計算參數(shù)均采用中標(biāo)，表1數(shù)據(jù)出自中標(biāo)表4.4.1-1，表2數(shù)據(jù)出自中標(biāo)表4.4.2。

2.2" 美標(biāo)承載力

以3 mm厚Q235鋼板、1顆6.8級M16螺栓連接、螺栓孔端距為25 mm為例，計算美標(biāo)的孔壁承壓承載力，過程如下。

采用式（2）反算中標(biāo)端距下的P

P=eFut/1.2=25×370×3/1.2=23 125 N≈23.1 kN。（6）代入式（1）驗證

P/（d·t）=23 125/（16×3）≈482 N≤1.5 Fu=1.5×370=555 N，" "（7）

滿足要求。

以此類推，采用美標(biāo)計算1顆6.8級別M16螺栓連接、孔端距為25 mm條件下，Q235、Q355、Q420和Q460鋼材的孔壁承壓承載力，結(jié)果見表3。

2.3" 中標(biāo)承載力

以3 mm厚Q235鋼板、1顆6.8級M16螺栓連接、螺栓孔端距為25 mm為例，計算中標(biāo)的孔壁承壓承載力，過程如下

N=d·∑tf=16×3×370=17 760 N≈17.6 kN。（8）

依次類推，采用中標(biāo)計算1顆6.8級別M16螺栓連接、孔端距為25 mm條件下，Q235、Q355、Q420和Q460鋼材的孔壁承壓承載力，結(jié)果見表4。

2.4" 中美標(biāo)準(zhǔn)承載力對比

將中美標(biāo)準(zhǔn)1顆6.8級M16螺栓連接、孔端距為25 mm條件下Q235、Q355、Q420和Q460鋼材的孔壁承壓承載力計算結(jié)果繪制為曲線，如圖1所示。可見，美標(biāo)承載力大于中標(biāo)。

將1顆6.8級M16螺栓連接、孔端距為25 mm條件下，Q235、Q355、Q420和Q460鋼材的孔壁承壓承載力美標(biāo)計算結(jié)果除以中標(biāo)計算結(jié)果，見表5。可見，美標(biāo)承載力為中標(biāo)承載力的120%～130%。

3" 結(jié)論

本文通過對比中標(biāo)與美標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)兩者在輸電線路螺栓承壓設(shè)計方法體系方面存在較大差異。前者未將影響承載力因素納入計算公式而采用構(gòu)造要求彌補(bǔ)其不足，后者則盡量將所有影響承載力的因素納入計算公式中。本文以1顆6.8級M16螺栓連接、孔端距為25 mm為例，計算Q235、Q355、Q420和Q460鋼材的中美標(biāo)孔壁承壓承載力，美標(biāo)承載力約為中標(biāo)的120%～130%。

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