江陰長江大跨越鐵塔構(gòu)件和節(jié)點設(shè)計

蔡 鈞，楊元春，左元龍

(華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001)

1 概述

500 kV江陰長江大跨越工程是由世界銀行貸款的國家重點項目，江蘇省北電南送的重要輸電通道，其耐張段全長為3703 m，按“耐張－直線－直線－耐張”布置，檔距 為“700 m－2303 m－700 m”， 由 兩基總高346.5 m的雙回路跨越塔和四基高度為55 m的單回路干字型耐張塔組成，采用4×AASCR－500導(dǎo)線、AC－360地線和OPGW－350光纜。該工程的跨越塔高度當時位居世界第一，跨越長度位居國內(nèi)第一。江陰大跨越至今仍是世界上最高的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)(組合角鋼)輸電鐵塔。

由于江陰大跨越鐵塔的構(gòu)件內(nèi)力特別大，設(shè)計時比較了國內(nèi)大跨越設(shè)計的結(jié)構(gòu)型式，吸取了國外大跨越設(shè)計的經(jīng)驗，同時也參考了高層鋼結(jié)構(gòu)建筑和大型橋梁的設(shè)計風(fēng)格，提出采用厚板焊接十字柱作為鐵塔主要受力構(gòu)件的大膽設(shè)想。并通過理論論證、模型試驗和焊接試驗，解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計中可能出現(xiàn)的各種技術(shù)難題，證明采用厚板焊接十字柱的設(shè)想是完全可行的，也為特大跨越塔的設(shè)計提供了新材料、新技術(shù)和新經(jīng)驗的借鑒?？缭剿饕獦?gòu)件根據(jù)內(nèi)力不同，分別采用十字柱組成的格構(gòu)式箱形構(gòu)件、單角鋼組合成的箱型構(gòu)件、四拼十字型實腹式構(gòu)件及雙拼“T”型斷面構(gòu)件等。鐵塔的構(gòu)件設(shè)計依據(jù)的是當時有效的中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,構(gòu)件連接和節(jié)點設(shè)計采用的是歐盟標準。本文著重闡述其構(gòu)件及連接和主要節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計，希望能夠為今后特大型鋼跨越塔的設(shè)計計算起到一定的參考借鑒作用。

2 主要桿件型式

江陰大跨越的跨越塔是采用格構(gòu)式組合斷面結(jié)構(gòu)的型鋼塔(見表1)，整體變形和構(gòu)件內(nèi)力計算采用國標《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ 17－88)；全塔分成三個坡度段，變坡位置分別在120 m和286 m標高處。 0～120 m標高的塔身主材采用的是65 mm厚鋼板焊成十字柱組合成的箱型構(gòu)件，斷面尺寸為1200 mm ×1200 mm；120～286 m標高的塔身主材采用的是60 mm～25 mm厚鋼板焊成十字柱組合成的箱型構(gòu)件,斷面尺寸為800 mm ×800 mm；286 m以上塔頭結(jié)構(gòu)考慮到塔頭的鞭稍效應(yīng)和導(dǎo)地線振動比較嚴重，全部采用螺栓連接，塔身主材采用由四個角鋼組成的十字斷面，橫擔(dān)和塔身斜材均采用2根角鋼拼成的“T”型斷面。0～120 m和120～286 m標高的塔身斜材均采用單角鋼組合成的箱型構(gòu)件,斷面尺寸為400 mm～1200 mm。120 m標高處既是塔身變坡位置，又是主材斷面尺寸突變的大節(jié)點，構(gòu)件厚度達到65 mm至100 mm，構(gòu)造非常復(fù)雜，單件重量高達17 t多。跨越塔主要斷面型式的典型示例見表1。

表1 主要構(gòu)件型式

3 連接處螺栓的計算

3.1 受剪螺栓長節(jié)點的判斷及計算

因跨越塔內(nèi)力較大，構(gòu)件與構(gòu)件用板和螺栓連接時,節(jié)點長度也較長，螺栓將會出現(xiàn)不均勻受力情況，為防止長節(jié)點螺栓受力時發(fā)生“解扣”式破壞，按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，需考慮長節(jié)點螺栓強度的折減問題。該標準的3.8(1)條規(guī)定：如果連接板螺栓群同一受力方向相距最遠兩個螺栓之間的距離Lj大于15d(d為螺栓直徑)時，需在計算螺栓剪力時乘一個折減系數(shù)βLf。

βLf的計算值應(yīng)小于1，當計算值小于0.75時，應(yīng)取0.75。

3.2 螺栓的受剪承載力

按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，對于8.8級螺栓，受剪承載力為：

式中：A為螺栓的實際抗剪面積；γM2安全分項系數(shù)，按照文獻[2]的2.2條，取1.25；fub單個螺栓的極限抗剪強度。

如果屬于長節(jié)點，即Lj＞15d，則按照文獻[2]的第3.8(1)條規(guī)定，上述計算的受剪承載力必需乘以降低系數(shù)βLf。

3.3 螺栓的孔壁承壓

按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，螺栓的孔壁承壓承載力：

式中：fu為螺栓的孔壁承壓強度；d為螺栓直徑；t為連接件厚度；αb取公式(4)中三個數(shù)值中最小值，其中αd為折減系數(shù)，按端部螺栓考慮，即αd取e1/3d0，e1為螺栓端距，d0為螺栓孔徑。

4 實腹式構(gòu)件的計算

塔身主材之間通常采用內(nèi)包角鋼外貼板的連接型式,并按雙剪或四剪計算。本工程的塔身主材規(guī)格均較大,除按中國規(guī)范方法進行接頭計算外，還按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－ 1：General rules and rules for buildings [EN 1993－1－1：2005E] 的規(guī)定對構(gòu)件的連接進行了詳細計算。

4.1 連接斷面的抗拉強度承載力

文獻[3]的6.2.3節(jié)，連接斷面所承受的拉力NEd≤Nt,Rd。

Nt,Rd為承載力，取下列兩種情況計算值的較小值：

(1)連接斷面毛面積的塑性承載力

式中：A為連接斷面毛面積；fy為屈服應(yīng)力；γM0為塑性承載力分項系數(shù)，文獻[3]的6.1 節(jié)γM0=1.0。

(2)連接斷面凈面積的極限承載力

式中：Anet為連接斷面凈面積；fu為極限抗拉強度；γM2為抗拉承載力分項系數(shù)，文獻[3]的6.1節(jié)γM2=1.25。

4.2 構(gòu)件的抗壓曲屈承載力

文獻[3]的6.3.1節(jié)，構(gòu)件所承受的壓力NEd≤Nb,Rd。

Nb,Rd為壓屈承載力：

式中：γM1為壓屈承載力分項系數(shù)，按照文獻[3]的6.1節(jié)第(1)條，γM1=1.0；χ為壓屈降低系數(shù)，根據(jù)文獻[3]的6.3.1.3節(jié)，判斷構(gòu)件類別；按照正則化長細比，選取壓屈降低系數(shù)χ；正則化長細比見公式(8)。

5 120 m大節(jié)點的構(gòu)造和計算

120 m節(jié)點(圖1)位于塔身的主要變坡位置，上下構(gòu)件的斷面尺寸分別為800 mm×800 mm和1200 mm×1200 mm，斷面尺寸相差較大，而且設(shè)計壓力高達69469 kN，所以，成為特別關(guān)注的節(jié)點。為了將上部主材的內(nèi)力可靠地傳遞給下部結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計了圖1所示的構(gòu)造型式：在節(jié)點中央設(shè)計一個板厚100 mm隨塔身坡度一起彎折的正交十字形部件，四條角邊呈階梯狀，分別與上下錯開的十字柱焊接，四面用鋼板封閉，形成整體剛度很大的幾何不變體。中心十字柱將上下相互錯開的十字柱連成一體，滿足了主材、斜材、水平材和橫隔材之間內(nèi)力傳遞的要求。120 m標高處單個節(jié)點的重有17 t多。

圖1 120 m處大節(jié)點

5.1 十字柱連板的抗彎計算

對于中心正交十字形連扳，因其既承受剪力又承受彎距，文獻[3]的6.2.8節(jié)，認為剪力的存在將降低板的彎距承載力，但當剪力較小時可忽略這種影響；當板承受的剪力VEd超過板的塑性剪力承載力Vpl,Rd的一半時，板的抵抗彎距應(yīng)按式(9)計算：

并且應(yīng)滿足：

式中：My,c,Rd為截面的設(shè)計抵抗彎距，按文獻[3]的6.2.5(2)，；Wpl為截面抵抗距，；ρ為截面的屈服強度折減系數(shù)，，；AW=AV為受剪面積，。

5.2 十字柱連板的抗拉計算

連接所承受的拉力：

式中：Nt,Rd為承載力；A為連接斷面毛面積；fy為屈服應(yīng)力；γM0為承載力分項系數(shù)；文獻 [3]的 6.1節(jié) ；γM0=1.0。

6 雙層塔腳板的構(gòu)造要求

江陰大跨越塔的基礎(chǔ)下壓和上拔作用力分別達到71000 kN和53000 kN，如果按《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》DL/T5154－2002，單板方案設(shè)計，采用Q345鋼材時，塔腳板的厚度也要達到130 mm。如此厚的鋼板，當厚度方向作用幾萬千牛的拉力荷載時非常容易出現(xiàn)層狀撕裂，對鐵塔安全極為不利。經(jīng)過研究，決定改變傳統(tǒng)的設(shè)計思想，采用了雙層底板的結(jié)構(gòu)型式。

雙層底板能將單層底板厚度方向的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化成剪應(yīng)力，消除了產(chǎn)生層狀撕裂的機理，保證了鐵塔結(jié)構(gòu)的可靠性。大節(jié)點和塔腳板都是焊接結(jié)構(gòu)，考慮到跨越塔結(jié)構(gòu)具有一定的疲勞特性，所有主要受力焊縫均按美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范Structural Welding Code Steel[AWS D1.1：2000 An American National Standard]規(guī)定的周期荷載的要求進行超聲波檢查。

7 結(jié)論

(1)雙拼“T”型斷面、四拼十字型實腹式、單角鋼組合成的箱型構(gòu)件以及用厚板焊接十字柱組成的格構(gòu)式型鋼結(jié)構(gòu)，是輸電鐵塔一種安全實用的結(jié)構(gòu)形式。

(2)為了將非常大的上部主材的內(nèi)力可靠地傳遞給下部結(jié)構(gòu)，可采用一個隨塔身坡度一起彎折的正交十字形幾何不變體，分別與上下錯開的十字柱焊接，以滿足主材、斜材、水平材和橫隔材之間內(nèi)力傳遞的要求。

(3)板的厚度方向作用的拉力較大時，非常容易出現(xiàn)層狀撕裂，可采用雙層板的結(jié)構(gòu)型式。