中美标准输电线路螺栓承压设计方法研究

摘" 要：国内外输电铁塔构件常采用螺栓连接。对于同一螺栓连接节点，采用中标和美标计算的承载力存在一定差异。该文以1颗6.8级M16粗制C级螺栓为例，按照制图规定最小端距，分别依据中美标准计算承压并比较其差异，为输电线路国际工程设计提供参考。

关键词：高压输电塔结构；螺栓连接；承载力；设计规范；输电线路

中图分类号：TM753" " " 文献标志码：A" " " " " "文章编号：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

随着全球化的深入发展，我国与世界各国的经济合作日益密切，特别是在工程建设领域，我国与美国、欧洲等地区的交流与合作不断加深。在“一带一路”倡议的指引下，国内输电线路设计行业在国际业务板块取得了显著突破，成功拓展了包括非洲、亚洲和南美洲的大量国外市场，并出现向大洋洲和欧洲扩展的趋势，呈现出国际市场份额持续上升的良好态势。

输电塔作为输电线路工程中的重要组成部分，其稳定和安全不仅关系到电力系统的正常运行，更直接影响到千家万户的用电安全和稳定。国内外输电铁塔设计规范存在较大不同，国内学者对荷载和角钢、钢管构件方面做了大量研究[1-7]，对于螺栓连接承载力计算也有一些研究[8-15]，但是研究主要针对建筑钢结构节点而非输电铁塔节点。

对于螺栓节点计算，中美标准均作出了明确的规定。美国输电铁塔设计导则ASCE 10—15 Design of Latticed Steel Transmission Structures[16]（以下简称“美标”）第4章规定了螺栓连接节点承载力计算方法，不同螺栓边距、端距和中心距时均可计算出对应承载力。DL/T 5486—2020《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》[17]（以下简称“中标”）第7.1节规定了螺栓连接节点承载力计算方法，DL/T 5442—2020《输电线路杆塔制图和构造规定》（以下简称“制图规定”）[18]第7.1.8节则规定了与中标计算公式对应的螺栓的构造边距、端距和中心距的最小数值。

国内设计院设计国际工程时虽然遵照美标，由于考虑到国内输电铁塔结构图的制图习惯，一般执行制图规定的构造要求。本文基于制图规定构造端距，以1颗6.8级M16粗制C级螺栓连接Q235、Q355、Q420和Q460钢材为例，分别按照中标和美标进行孔壁承压承载力计算，以比较采用2种规范的差异。

1" 计算方法

美标在全球范围内具有重要的影响力，因此广泛应用于国际输电线路工程中。美标的计算体系和方法，相较于国内标准，存在着显著的差异。美标更具有灵活性且注重细节，中标则通常侧重于统一性、规范性和实用性，2种标准计算结果也存在较大差异。

美标对于螺栓端距、边距和中心距不进行严格的构造规定，而是将参数纳入承载力计算公式中。设计师在遵循美标进行螺栓连接设计时，可以根据实际情况和工程需求，灵活选择这些参数，这种灵活性有助于设计师在满足安全性的前提下，优化螺栓连接的布局和性能。美标将这些几何参数与承载力计算公式直接挂钩，这种设计思路使得设计师可以更加精确地评估螺栓连接的承载能力，从而确保结构的安全性和可靠性。同时，这也要求设计师在进行螺栓连接设计时，必须充分考虑这些几何参数对承载力的影响，以确保设计的合理性和有效性。

中标在螺栓连接设计方面采取了与美标截然不同的思路。制图规定对螺栓端距、边距和中心距等几何参数进行了严格的构造规定，这些规定构成了中标承载力计算公式的基础。国内工程设计必须严格遵守这些构造要求以确保螺栓连接在设计荷载下的安全性和稳定性，设计师只能在此边界条件下进行优化设计。对于中国设计师而言，如果采用中标标准进行国际工程投标和设计，可能会面临一些挑战。特别是在工程经济性方面，中标标准严格的构造规定可能会增加材料的使用量，从而导致工程成本的上升。

本章将总结梳理美标和中标螺栓连接节点承压承载力计算公式。

1.1" 美标

本节介绍美标中螺栓承压承载力计算方法，以及端距对于承压承载力的制约，由于钻孔和冲孔工艺对于承压承载力有影响，因此也将介绍美标和国际工程对于螺栓成孔方面的要求。

1.1.1" 承载力

美标第4.4条规定了一颗螺栓的承压承载力计算方法，最大承载应力计算为螺栓上的力除以螺栓直径乘以连接部件厚度的乘积，不得超过连接部件或螺栓规定最小抗拉强度Fu的1.5倍，将其改写为公式型，如式（1）所示。

P/（d·t）≤1.5Fu，（1）

式中：P为螺栓荷载设计值，N；d为螺栓杆直径，mm；t为连接部件的厚度，mm；Fu为构件的规定最小抗拉强度，N/mm2。

1.1.2" 端距

美标第4.5条则规定了最小端距的计算值。对于受力构件，从孔中心到端部测量的距离e，无论该端部是垂直于力线还是倾斜于力线，都不应小于emin值，emin值由式（2）—式（4）确定的最大值

e=1.2P/（Fut），（2）

e=1.3d，（3）

e=t+d/2，（4）

式中：Fu为连接部件的规定最小抗拉强度，N/mm2；t为连接部分的厚度，mm；d为螺栓公称直径，mm；P为螺栓传递的力，N。

值得注意的是如果采用钻孔工艺，则式（4）不适用于受力构件或辅助材料。

1.1.3" 制孔方式

美标为了确保螺栓连接的承载力，对于冲孔螺栓边距制定了具体的公式要求，以防止制造缺陷（如冲孔导致的微小裂纹或材料损伤）降低连接的可靠性，因此对边距做出式（4）的要求，而对于钻孔的螺栓边距则无须考虑式（4）。因此，要求采用美标设计的国际工程中螺栓孔的制孔方式是设计师需要重视的问题。

由于美标对于钻孔制孔钢板的厚度范围内并未做出明确规定，在国际工程中不同地区和项目制孔方式的选择可能有所不同，设计师需要仔细阅读工程标书，了解具体的制孔方式要求。如果标书中未明确提及制孔方式，设计师应在设计文件中明确指定，以确保制造加工符合设计要求，避免潜在的承载力问题。

综上所述，设计师在国际工程中处理螺栓孔制孔问题时，应仔细阅读标书要求，了解美标及其他相关标准的规定，确保设计文件的明确性和准确性。同时，还需根据工程实际情况选择合适的制孔方式，以确保结构的可靠性和安全性。

1.2" 中标

中标铁塔的螺栓端距离必须严格执行制图规定要求，这是为了确保螺栓连接的承压承载力能够达到中标承载力设计值。而GB/T 2694—2018《输电线路铁塔制造技术条件》[19]（以下简称“铁塔制造条件标准”）和中标则对于不同厚度钢材的制孔方式做出明确的规定。设计人员只需要严格遵守执行以上规范即可。

这种设计方式造成了一个结果就是设计师进行螺栓节点的优化空间非常小，设计人员的主观能动性也在一定程度上受到限制，因此也常能看到国际工程中采用中标计算的铁塔塔重指标高于采用美标铁塔塔重指标的现象。

1.2.1" 承载力

中标第7.1.1条规定了在满足制图规定要求时，螺栓连接中的承压承载力设计值按式（5）计算

N=d·∑tf，（5）

式中：N为每个螺栓的承压承载力设计值，N；d为螺栓杆直径，mm；∑t为在同一受力方向的承压构件的较小总厚度，mm；f为构件孔壁与螺杆的承压强度设计值的较小值，N/mm2。

1.2.2" 端距

制图规定第7.1.8节对螺栓端距和中心距进行了严格的要求，由于本文研究内容只涉及螺栓端距，因此仅列出文中涉及螺栓的最小端距，M16、M20和M24螺栓的最小端距分别为25、30、40 mm。

1.2.3" 制孔方式

采用中标的承载力计算公式时需与制图规定的构造要求和中标的制孔方式相匹配。制图规定的构造要求即为第7.1.8节对螺栓端距、边距和中心距的要求。

螺栓孔制孔方式在铁塔制造条件标准和中标2本现行规范中均有提及且存在一定差异。铁塔制造条件标准第6.4.2条规定了厚度大于16 mm的Q235钢材、厚度大于14 mm的Q355钢材、厚度大于12 mm的Q420钢材、所有厚度的Q460钢材及挂线孔均应采用钻孔。中标第8.1.13条则更新了规定，厚度大于14 mm的Q235钢材、厚度大于12 mm的Q355钢材、厚度大于10 mm的Q420钢材、所有厚度的Q460钢材及挂线孔均应采用钻孔。中标执行时间晚于铁塔制造条件标准，因此工程中制孔一般执行中标。

2" 计算实例

由上节可知中标和美标螺栓承压承载力计算公式形式存在较大差异，本节将以1颗6.8级M16粗制C级螺栓为例，比较不同钢材等级和钢材厚度下中美2种规范螺栓承压承载力计算结果。

2.1" 边界条件

为了排除其他因素，只比较2种规范螺栓承压承载力的差异，因此对螺栓端距、制孔方式和钢材力学性能指标进行约定。

2.1.1" 螺栓端距

由于国内铁塔结构图制图习惯为采用制图规定，因此本文计算时螺栓端距以国内通用的制图规定最小端距。

2.1.2" 制孔方式

本文承载力为基于采用钻孔方式制螺栓孔的孔壁承压承载力。

2.1.3" 钢材力学性能指标

由于国内钢材价格即使加上运输成本较国际钢材价格仍有较大优势，因此，国内设计院承担的工程几乎全部采购国内钢材，钢材的制造标准也采用中国标准。本文计算参数均采用中标，表1数据出自中标表4.4.1-1，表2数据出自中标表4.4.2。

2.2" 美标承载力

以3 mm厚Q235钢板、1颗6.8级M16螺栓连接、螺栓孔端距为25 mm为例，计算美标的孔壁承压承载力，过程如下。

采用式（2）反算中标端距下的P

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

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

满足要求。

以此类推，采用美标计算1颗6.8级别M16螺栓连接、孔端距为25 mm条件下，Q235、Q355、Q420和Q460钢材的孔壁承压承载力，结果见表3。

2.3" 中标承载力

以3 mm厚Q235钢板、1颗6.8级M16螺栓连接、螺栓孔端距为25 mm为例，计算中标的孔壁承压承载力，过程如下

N=d·∑tf=16×3×370=17 760 N≈17.6 kN。（8）

依次类推，采用中标计算1颗6.8级别M16螺栓连接、孔端距为25 mm条件下，Q235、Q355、Q420和Q460钢材的孔壁承压承载力，结果见表4。

2.4" 中美标准承载力对比

将中美标准1颗6.8级M16螺栓连接、孔端距为25 mm条件下Q235、Q355、Q420和Q460钢材的孔壁承压承载力计算结果绘制为曲线，如图1所示。可见，美标承载力大于中标。

将1颗6.8级M16螺栓连接、孔端距为25 mm条件下，Q235、Q355、Q420和Q460钢材的孔壁承压承载力美标计算结果除以中标计算结果，见表5。可见，美标承载力为中标承载力的120%～130%。

3" 结论

本文通过对比中标与美标，可以发现两者在输电线路螺栓承压设计方法体系方面存在较大差异。前者未将影响承载力因素纳入计算公式而采用构造要求弥补其不足，后者则尽量将所有影响承载力的因素纳入计算公式中。本文以1颗6.8级M16螺栓连接、孔端距为25 mm为例，计算Q235、Q355、Q420和Q460钢材的中美标孔壁承压承载力，美标承载力约为中标的120%～130%。

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