钢管构架柱柱脚螺栓设计

丛培瑞，刘建秋，盖 超（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）



钢管构架柱柱脚螺栓设计

丛培瑞，刘建秋，盖 超
（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

摘要：变电站钢管构架柱柱脚采用螺栓连接时，通常设计为圆形外露式刚接柱脚。构架柱脚受力复杂，不仅有压、弯、剪，还有拉、弯、剪；柱脚连接型式多样，有法兰连接、架空连接、地脚螺栓连接。因此，连接螺栓的设计计算与一般型钢柱有所不同。依据国家规范和理论计算方法，推导出各种连接方式的钢管构架柱脚螺栓设计公式，可供设计人员使用；利用excel和matlab计算工具，验算三种连接方式的螺栓内力并进行技术和经济对比分析。建议在高度高、跨度大、承受荷载大、重要性等级高的特高压工程中，可优先选用技术性能好的法兰连接；在普通变电工程中，应优先选用经济性好的地脚螺栓连接。

关键词：变电站；钢管构架柱；柱脚；螺栓。

国内变电站中500 kV及以下电压等级构架多为钢管人字柱结构，750 kV、1000 kV构架多为钢管格构柱结构，也有个别（浙中1000 kV变电站）采用钢管人字柱结构。柱脚节点多为杯口插入式，文献［1］指出，为减少现场安装的周期，构架与基础的连接可以采用螺栓连接，但文中并未给出柱脚螺栓内力计算方法。

构架柱脚受力复杂，连接型式多样，工程设计中如何计算螺栓内力，如何选择连接型式，需要进行专门研究。

1 柱脚连接型式

柱脚连接型式可分为3种：①基础内预埋钢管短柱，短柱与构架柱采用法兰连接，此种连接方式简称为法兰连接，在浙中1000 kV变电站采用；②基础内预埋地脚螺栓，柱脚底板不与基础顶面接触，而是采用调节螺母架空，此种连接方式简称为架空连接，在文献［1］中有描述；③基础内预埋地脚螺栓，柱脚底板与基础顶面之间使用细石混凝土充填密实，此种连接方式简称为地脚螺栓连接，在国家电网内蒙古东部地区变电站大量采用。柱脚连接3种型式见图1～图3。

图1 法兰连接

图2 架空连接

图3 地脚螺栓连接

2 柱脚螺栓计算方法

2.1 法兰连接——按刚性法兰盘计算

目前我国相关的规范及行业标准对刚性法兰盘计算，都借鉴了普通螺栓群受弯的计算方法，按传统的三角形分布法计算，螺栓拉力呈线性分布，圆形法兰螺栓受力示意图见图4。

图4 圆形法兰螺栓受力示意图

（1）螺栓全部受拉时，绕通过螺栓群形心的旋转轴①转动，按下式计算：

式中：Nbmax为距旋转轴yn处的螺栓拉力；M为柱脚承受的弯矩；N为柱脚承受的拉（压）力，拉力为正，压力为负；n0为该法兰盘上螺栓总数。

（2）当按式（1）计算任一螺栓拉力出现负值时，螺栓群并非全部受拉，而绕旋转轴②转动，按下式计算：

式中：e为旋转轴①与旋转轴②之间的距离。

刚性法兰受压侧压力由法兰盘承载，对于连接螺栓，仅验算螺栓受拉承载力即可。

式中：Nbt为螺栓抗拉承载力。

2.2 架空连接——按力学平衡条件计算

构架柱底板上下均有螺帽，底部架空，压应力传至地脚螺栓，全部荷载由螺栓承受，不考虑混凝土受压。计算模型见图5、图6。

柱脚受弯时，

柱脚受拉（压）时，

二者合力为：

式中：Nb 'max为距旋转轴yn处的螺栓拉（压）力。

由于法兰盘悬空，地脚螺栓受压也必须满足要求：

式中：Nb 't为螺栓抗拉（压）承载力。文献［3］中仅有螺栓的抗拉强度设计值，参照文献中钢材抗拉和抗压强度设计值一致，取螺栓的抗压强度设计值同抗拉设计值。

2.3 地脚螺栓连接

图5 柱脚受弯时螺栓受力示意图

图6 柱脚受压（拉）时螺栓受力示意图

分别按拉弯、压弯工况计算。

文献［4～5］总结了国内外地脚螺栓拉力的计算方法，包括国内、德国、苏联、英国等，文中主要针对压弯受力进行计算，架构柱脚除压弯外还有拉弯，下文分别分析。

2.3.1 压弯工况

文献［4～5］中计算理论，我国主要采用的方法有：①设计手册中采用的方法（地脚螺栓直径d径螺栓mm），同时不允许地脚螺栓抗剪；②梁比拟法（地脚螺栓直径d＞60mm时采用），该方法也不允许地脚螺栓抗剪。

构架柱脚通常设计为圆形法兰盘，可以通过增加螺栓数目的方法来限制螺栓直径≤方法来限，并且变电站工程中也未见有采用大直径的地脚螺栓。因此，本文按简化计算方法计算。计算简图见图7。

图7 地脚螺栓连接压弯工况受力示意图

式中：fc、βl分别为基础混凝土的轴心抗压强度设计值和局部承压时的提高系数。

σmin＜0时，螺栓不承受拉应力，计算结束。否则，按下文继续计算。

混凝土受压区长度：

式中：dp为圆形底板的直径。

积分求得受压区混凝土合力作用点距法兰盘边缘距离为：

设，

则，

由于混凝土抗拉承载能力很低，拉力由地脚螺栓承担，设Z为各受拉地脚螺栓的合力，

作用点距O的距离为：

简化计算方法忽略了地脚螺栓位置与受拉应力三角形图形重心不一致的事实，认为拉力由地脚螺栓承担后，a值不变，对P点取矩，

受压侧压力由混凝土承载，对于螺栓，仅验算螺栓受拉承载力即可。

2.3.2 拉弯工况

对于拉弯工况，底板下混凝土不出现压应力或全部螺栓均承受拉应力为小偏心受拉，否则为大偏心受拉柱脚节点。即小偏心受拉前提条件为或σmax＜0。

（1） 小偏心受拉

（2） 大偏心受拉

大偏心受拉时，部分螺栓受拉，与压弯柱脚类似，可参照压弯柱脚进行计算。

σmax＜0时，为小偏心受拉。

3 构架柱脚螺栓计算结果及对比分析

某1000 kV变电站柱脚采用螺栓连接，为减少螺栓直径，在满足安装要求下，尽可能多地布置螺栓。

我国规范规定，地脚螺栓不能参与抗剪，水平反力应由底板与混凝土间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。因此，本文不考虑螺栓抗剪，水平剪力由摩擦力或者抗剪键承受。

3.1 技术比较

为充分对比各工况下螺栓最大拉（压）力的区别，取柱脚轴力N为-4000～4000 kN，柱脚弯矩M为0 kN•m～1400 kN•m，编制excel计算程序，使用matlab求解定积分，不同M、N组合计算螺栓拉力，计算结果见图8～10。

表1 临界区域拉弯大偏心和小偏心螺栓拉力差别（ kN）

二者计算结果相差约7%～8%，可以满足工程设计要求，本文偏安全起见，重合部分取二者较大值。

图8 法兰连接计算结果

图9 架空连接计算结果

图10 地脚螺栓连接计算结果

图8～图10显示，在轴压工况（M=0 kN•m，N＜ 0 kN）下，法兰连接和地脚螺栓连接柱脚螺栓受力为0，架空连接随着轴力N增大，柱脚螺栓受力增大；在 压 弯 工 况（M＞0 kN•m，N＜0 kN）下，法兰连接和地脚螺栓连接随着轴力N增大，柱脚螺栓受力减小，直至为0，架空连接随着轴力N增大，螺栓受力增大；在拉弯和纯弯工况下（M况弯大接随着，N＞0 kN），随着轴力N的增大，三种连接方式柱脚螺栓受力均增大。

以上分析可知，螺栓拉力受轴力和弯矩两个因素影响。为探讨轴力和弯矩对螺栓拉力的影响，假设螺栓最大承载力为150 kN，从图8～图10中读取相应的N、M值，绘制图11。

图11 柱脚轴力N和弯矩M对螺栓拉力的影响

图11中，在所有工况下，螺栓承载力一定的情况下，法兰连接可以承受的N、M值最大（N定值，M最大；M定值，N最大）。

在拉弯工况（M＞0 kN•m，N＞0 kN）下，螺栓承载能力排序为：法兰连接＞架空连接＞地脚螺栓连接。

在压弯工况（M＞0 kN•m，N＜0 kN）下，螺栓承载能力排序为：法兰连接＞地脚螺栓连接＞架空连接。

对于地脚螺栓和架空连接，在拉弯工况下，二者差别很小，在压弯工况下，地脚螺栓连接远优于架空连接。由于构架自重的影响，各工况下柱脚压力大于拉力，因此，螺栓承载能力综合排序为：法兰连接＞地脚螺栓连接＞架空连接。

3.2 经济比较

取有代表性的工况组合下的构架支座反力列入表2。

表2 各工况组合下的支座反力

按法兰连接采用8.8级普通螺栓，架空连接和地脚螺栓连接采用Q345B级锚栓，计算柱脚螺栓规格见表3。

表3 柱脚螺栓计算结果

三种连接方式的柱脚和法兰连接的钢管埋入深度、混凝土强度（保证螺栓破坏先于混凝土压碎）按文献［1］进行设计计算，结果见图12、图13。

图12 地脚螺栓和架空连接锚栓（共28幅）设计图

图13 法兰连接设计图

按设计图统计材料重量并向多个构架加工厂询价，列表4比较三种连接方式的经济性，表中均为单个柱脚材料重量及造价。

表4 三种连接方式经济比较

表4显示，法兰连接造价是地脚螺栓连接的179.6%，架空连接造价是地脚螺栓连接的122.5%，三种连接方式的经济性排序为：地脚螺栓连接＞架空连接＞法兰连接。

3.3 适用范围

综合以上技术经济比较，从技术角度看，构架柱脚受力复杂，有拉弯剪、压弯剪等各种工况，应优先采用法兰连接；从经济角度看，应优先选用经济性最好的地脚螺栓连接。

因此，在高度高、跨度大、承受荷载大、重要性等级高的特高压工程中，可优先选用技术性能好的法兰连接；在普通变电工程中，应优先选用经济性好的地脚螺栓连接。

4 结论

依据国家规范和理论计算方法，对钢管构架柱三种柱脚连接型式螺栓内力计算公式进行详细总结和推导，完善变电站钢管构架柱柱脚螺栓连接节点计算实用公式，可供设计人员使用。

利用excel和matlab计算工具，验算三种连接方式的螺栓内力并进行技术和经济对比分析。建议在高度高、跨度大、承受荷载大、重要性等级高的特高压工程中，可优先选用技术性能好的法兰连接；在普通变电工程中，应优先选用经济性好的地脚螺栓连接。

参考文献：

［1］ 中南电力设计院.变电构架设计手册［M］.武汉：湖北科学技术出版社，2006.

［2］ GB 50135—2006，高耸结构设计规范［S］.

［3］ DL/T 5130—2001，架空送电线路钢管杆设计技术规定［S］.

［4］ GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［5］ 肖奇珍.轻钢结构柱脚地脚螺栓计算法［M］.杭州：浙江大学，2002.

［6］ 刘威.圆形底板刚性柱脚锚固设计研究［M］.武汉：华中科技大学，2011.

［7］ 左权胜，周鹏洋，梁意.外露式钢结构刚性固定柱脚设计探讨［J］.钢结构，2007，22（12）.

中图分类号：TM75

文献标志码：B

文章编号：1671-9913（2016）01-0075-06

* 收稿日期：2015-12-15

作者简介：丛培瑞（1983-），男，山东巨野人，硕士，工程师，一级注册结构工程师，主要从事变电土建工程设计。

Design of Column Base Bolts in Steel-pipe Frame

CONG Pei-rui， LIU Jianqiu， GAI Chao
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute CORP.， LTD. Jinan 250013， China）

Abstract:When the steel-pipe frame column connects the base with bolts in substation， it is usually designed as exposed rigid column base with circular bottom. The column base is under a combination loading of pressure， bending and shearing force or tensile， bending and shearing force. The types of connection between column and base are variety， including flanged connection， overhead connection， and anchor-bolt connection. Therefore， the design and calculation of the connecting bolts in steel-pipe frame column base are different from that in the ordinary column base. The design equations are derived based on the basis of the national standard and the theory of ordinary column base； then the forces on the bolts in three different types of the column base can be got by using Excel and matlab， and they are checked and analyzed. In the UHV project， the frame are height， large span， large load and very important， flanged connection is recommended for design use.In the general project， anchor-bolt connection is recommended for design use.

Key words:substation； steel-pipe frame column； column base； bolt.