談高強鋼在輸電鐵塔中的應(yīng)用

牛建榮 陳 濤

(太原供電設(shè)計研究院，山西太原 030001)

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，鐵塔占本體投資的30%左右，如何利用新技術(shù)，新材料來降低桿塔指標(biāo)，已經(jīng)成為工程設(shè)計人員最為關(guān)心的問題。而采用高強鋼可充分利用鋼材強度的同時，還可有效避免組合截面的出現(xiàn)，簡化了結(jié)構(gòu)構(gòu)造，減少了構(gòu)件元素數(shù)量，使結(jié)構(gòu)荷載傳遞方式更加合理，可有效提高鐵塔結(jié)構(gòu)的先進性、經(jīng)濟性和安全可靠度。

1 高強鋼的設(shè)計應(yīng)用

1)軸心受力強度計算。

鐵塔構(gòu)件的選取主要是取決于其受力狀態(tài)，對于鐵塔受力材料，其主要由軸心受力的強度及軸心受壓穩(wěn)定控制來確定。DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定對于軸心受力構(gòu)件的強度計算公式如下:

其中，N為軸心拉力或壓力設(shè)計值;m為構(gòu)件強度折減系數(shù);An為構(gòu)件凈截面面積;f為鋼材的強度設(shè)計值。

上式中，An和m均與材料的強度等級無關(guān)，可以看出，對于軸心受力強度的控制構(gòu)件，其選材主要是由材料本身的強度來決定，構(gòu)件材料量與材料強度設(shè)計值成反比，強度越高其所用材料越少。與普通鋼材相比，高強鋼本身具有強度高的特點，表1列出各鋼種的強度比值。

表1 強度等級鋼材的強度承載力比值(厚度＜16 mm)

由表1可以看出，采用高強鋼材，對由軸心受力強度控制的單根桿件，其強度和承載能力都有較大提高。因此，在桿塔設(shè)計中，由軸心受力強度控制的構(gòu)件采用高強鋼有明顯的優(yōu)勢，如受拉的橫擔(dān)上平面主材、大荷載下受軸心受壓的主材等，采用高強鋼降低鋼材指標(biāo)效果明顯。

2)軸心受壓穩(wěn)定計算。

鐵塔結(jié)構(gòu)大部分的桿件由受壓穩(wěn)定控制，如橫擔(dān)下平面主材、塔身主材、斜材等。DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定對于由軸心受壓穩(wěn)定控制的受力桿件，其計算公式如下:

其中，N為軸心受壓穩(wěn)定的壓力設(shè)計值;φ為鐵塔軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);A為構(gòu)件毛截面面積;mN為壓桿穩(wěn)定強度折減系數(shù);f為鋼材的強度設(shè)計值。

穩(wěn)定計算從公式形式看，雖然也像是針對個別截面，實際上它卻是針對整個結(jié)構(gòu)的。穩(wěn)定計算公式中的φ和mN都與材料的強度等級有關(guān)。

3)角鋼截面的選擇。

對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓穩(wěn)定計算，不但要考慮壓穩(wěn)系數(shù)的影響，還要考慮強度折減系數(shù)mN，即考慮角鋼翼緣失穩(wěn)的影響，此系數(shù)與截面特性和強度有關(guān)，計算方法如下:

角鋼構(gòu)件:根據(jù)翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比計算確定:

其中，b為角鋼翼緣板自由外伸寬度，mm;t為角鋼肢厚、鋼管壁厚，mm。

從上面公式可以得出，相同截面，構(gòu)件強度越高，其折減系數(shù)越小。為了使高強鋼能夠盡可能地充分發(fā)揮其高強特性，在工程中不得已要采用一些角鋼肢寬肢厚比較小的構(gòu)件，以控制mN的折減。按照承載力提升10%以上來判斷，Q420高強角鋼可利用的角鋼規(guī)格占高強鋼規(guī)格范圍的50%左右，角鋼強度提高值最大到22%，可利用的角鋼長細(xì)比范圍達(dá)到了70。

4)螺栓的選用。

隨著今后高強鋼在輸電線路上的大量采用，與高強鋼相匹配的高強螺栓選型問題將成為設(shè)計者關(guān)心的問題。

就孔壁承壓而言，當(dāng)采用4.8級螺栓時無論對何種級別的角鋼，均由螺桿控制;當(dāng)采用6.8級螺栓時，對Q420級別的角鋼，由螺桿控制;當(dāng)采用8.8級螺栓時，無論對何種級別的角鋼均由構(gòu)件孔壁承壓控制。由此可見，在采用高強鋼時，對螺栓強度，除考慮螺栓抗剪切強度以外，還要考慮鋼材的孔壁承壓問題。當(dāng)采用了高強鋼構(gòu)件，而仍使用較低級別螺栓時，要特別注意角鋼或鋼板對螺栓的螺桿承壓驗算。

2 根據(jù)塔型特點使用高強鋼

如何在桿塔中使用高強鋼直接關(guān)系到桿塔設(shè)計的好壞，通過對以往線路桿塔及對某220 kV典型塔型的試算分析，探索如何針對不同塔型結(jié)構(gòu)的受力特點來最大限度地發(fā)揮高強鋼的特性。

耐張轉(zhuǎn)角塔的受力相比直線塔更大，因此在耐張塔中更容易發(fā)揮高強鋼特性，以耐張轉(zhuǎn)角塔2B6-JC3為例。

表2 Q420鋼在干字形耐張塔中使用表

由表2數(shù)據(jù)分析:其主材內(nèi)力達(dá)到850 kN，端部連接形式為單面連接，一端偏心的結(jié)構(gòu)，采用Q345鋼材，受壓強度控制了選材，選材規(guī)格達(dá)到 L180×14，對于受壓強度控制的桿件，采用Q420高強鋼是比較合理的，主材規(guī)格由L180×14(Q345)下調(diào)為L160×14(Q420)。減少了鋼材指標(biāo)和結(jié)構(gòu)擋風(fēng)面積，對桿塔整體抗外負(fù)荷能力起到積極影響。

對同一塔型采用不同高強鋼進行計算，各塔型的計算用量及節(jié)約情況見表3(Q345鋼材單價:0.68萬元/t;Q420鋼材單價:0.73 萬元/t)。

表3 采用Q420高強鋼后桿塔用鋼量的比較

通過計算，采用Q420高強鋼后，小負(fù)荷塔可降低塔重5% ～8%左右，大負(fù)荷塔可降低塔重9%左右。

通過以上分析研究，根據(jù)桿塔受力特點和內(nèi)力分配情況，在桿塔中局部采用Q420高強鋼，配合傳統(tǒng)Q345和Q235鋼材使用，可以對桿塔起到優(yōu)化的作用，一方面使結(jié)構(gòu)受力更加合理，另外可以降低桿塔鋼材指標(biāo)。而且高強鋼的使用優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，減少設(shè)計、運輸、安裝的工作量，從輸電線路建設(shè)的綜合造價上，可以有效節(jié)省工程投資，具有較好的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

鐵塔用高強鋼，受壓穩(wěn)定控制時，構(gòu)件長細(xì)比λ應(yīng)控制在80以內(nèi)，且越低其優(yōu)勢越大，主材長細(xì)比應(yīng)控制在40左右才能充分利用高強鋼強度高的優(yōu)勢;當(dāng)構(gòu)件長細(xì)比λ＞80時，構(gòu)件由穩(wěn)定控制，不宜采用高強鋼選材。

在輸電線路鐵塔上推廣使用高強鋼是必要的和完全可行的。經(jīng)過估算應(yīng)用高強鋼可以有效降低鐵塔重量，較采用Q345鋼，直線塔可以降低3%～6%，耐張塔可以降低6%～7%，其桿塔越大、負(fù)荷越大、使用高強鋼越多降低就越多，經(jīng)濟性越好。合理運用高強鋼，其用量可以占到全塔重量的35%左右。