高強度鋼材在500 kV雙回路鋼管桿結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

謝 震

（維蒙特工業(yè)（中國）有限公司，上海 松江 201611）

近些年隨著我國城市化進程的不斷推進，土地資源越來越緊張，架空輸電線路走廊的選擇也受到較大的制約，尤其在市區(qū)或近郊的輸電線路，往往被限制在很小的線路走廊區(qū)域內(nèi)[1]。為了減少輸配電桿塔占用線路走廊的空間，近些年對鋼管桿輸電結(jié)構(gòu)需求不斷增多。我國的輸配電鋼管桿結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于220 kV及以下電壓等級的線路中，相對荷載負荷較小，使用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼即可滿足輸電線路的受力要求[3]。由于電網(wǎng)的不斷升級，500 kV 輸電桿塔在市區(qū)及周邊區(qū)域的應(yīng)用越來越多，大截面導(dǎo)線的應(yīng)用和大跨越工程的建設(shè)，使桿塔荷載越來越大，對桿塔的承載能力提出了更高的要求，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼已經(jīng)無法滿足這些特殊工程的需求。在高電壓等級鋼管桿結(jié)構(gòu)中引入強度高、韌性好、安全可靠的高強度鋼材，可以解決普通鋼強度低、結(jié)構(gòu)構(gòu)件重、尺寸大、占地多的問題。美標(biāo)ASTM A572 Gr65 高強度結(jié)構(gòu)鋼[4]已在國外的輸電線路中得到廣泛應(yīng)用，近些年在高電壓等級的鋼管桿結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用高強度結(jié)構(gòu)鋼也較為普遍。

1 用于項目中的500 kV 鋼管桿結(jié)構(gòu)使用條件和設(shè)計要求

采用高強度結(jié)構(gòu)鋼加工的500 kV 鋼管桿結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用到實際項目前，需要做大量的理論計算、模擬分析和真型加載試驗工作[2]。模擬分析采用輸配電行業(yè)專用的PLS-Pole 和維蒙特公司的Impax 設(shè)計軟件，這兩個軟件均為非線性有限元分析設(shè)計軟件，可以相互驗證計算結(jié)果。鋼管桿單桿是典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在頂部荷載的作用下，桿頂?shù)膿锨冃螘容^大。在一些較高電壓等級的輸電線路中，如500 kV以上的電壓等級中，導(dǎo)線作用于桿塔上的荷載相對較大，采用鋼管桿單桿結(jié)構(gòu)，桿頂會產(chǎn)生較大的撓曲變形，對輸電線路的安全運行產(chǎn)生影響。在高電壓等級中應(yīng)用鋼管桿單桿結(jié)構(gòu)，僅適用于一定的使用條件。一般情況下，直線桿日常運行工況受力比較小，適合采用單桿結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)角耐張桿在日常運行工況下，承受的導(dǎo)線張力較大，須考慮組合鋼管塔結(jié)構(gòu)，以抵消桿體頂端的撓曲變形。在具體項目中，是適用于鋼管桿單桿結(jié)構(gòu)或是適用于組合鋼管桿結(jié)構(gòu)，須根據(jù)使用要求和條件具體分析。桿型AP-195和TSP10+6兩種桿型的使用條件如表1和表2所示。

表1 500 kV雙回路AP-195和TSP10+6桿型導(dǎo)線型號和參數(shù)

表2 500 kV雙回路AP-195和TSP10+6桿型使用環(huán)境

鋼管桿結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中，須考慮在不同情況下的結(jié)構(gòu)強度和撓度滿足設(shè)計要求，不同電壓等級和不同桿型對設(shè)計的要求也有所不同。所有設(shè)計工況下，構(gòu)件不能產(chǎn)生永久變形，桿塔強度滿足設(shè)計要求。鋼管桿結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于市區(qū)，日常工況和大風(fēng)工況下的撓度是設(shè)計過程中的一個重要指標(biāo)。桿體撓度的設(shè)計限值沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同桿型（直線桿或轉(zhuǎn)角桿）、不同國家的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對撓度的設(shè)計要求也有所不同。AP-195 桿型要求大風(fēng)工況下，桿頂撓度不大于桿塔總高的8%；TSP10+6 桿型要求在正常運行工況下，桿頂撓度不大于桿塔總高的2%。鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮的設(shè)計工況：0°大風(fēng)、45°大風(fēng)、90°大風(fēng)、最低溫、日常運行、斷導(dǎo)/地線、安裝等工況。不同桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮哪些工況，須根據(jù)不同桿型和運行環(huán)境做相應(yīng)調(diào)整。

2 鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和尺寸參數(shù)

在國內(nèi)國外輸電線路桿塔設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[6-8]中，美國土木工程師學(xué)會的輸電鋼管桿設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 48-11[6]是在國際輸電項目中應(yīng)用最廣，認可度最高的標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 48-11中，不僅對不同結(jié)構(gòu)形式、不同截面形狀的鋼管桿構(gòu)件，給出了具體的設(shè)計方法和計算公式，而且也對桿塔的加工制造、質(zhì)量控制和試驗方法等方面提供了設(shè)計參考。根據(jù)鋼管桿的結(jié)構(gòu)特點和受力特性，薄壁管體受壓側(cè)容易出現(xiàn)局部失穩(wěn)情況，為避免局部失穩(wěn)情況的發(fā)生，當(dāng)設(shè)計過程中采用不同的徑厚比時，受壓構(gòu)件或受彎構(gòu)件的受壓側(cè)的許用強度，需進行相應(yīng)折減情況的驗算。ASCE/SEI 48-11 標(biāo)準(zhǔn)中對于不同的截面形狀和徑厚比的材料，給出了詳細的許用強度取值計算公式和取值規(guī)則，可以作為鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計時，許用強度或設(shè)計強度取值的指導(dǎo)。

結(jié)合專用的有限元分析軟件，進行鋼管桿的結(jié)構(gòu)強度計算和撓度的校核，確定滿足設(shè)計要求的鋼管桿的結(jié)構(gòu)尺寸。鋼管桿結(jié)構(gòu)尺寸的確定，并不是一次設(shè)計完成的，而是在考慮客戶要求、結(jié)構(gòu)強度、撓度、加工能力和成本等因素，通過多次優(yōu)化設(shè)計，最終確定的結(jié)構(gòu)尺寸。表3 中列出了這兩基500 kV桿塔的結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計參數(shù)。

表3 500 kV雙回路AP-195和TSP10+6桿型尺寸及參數(shù)

3 500 kV鋼管桿結(jié)構(gòu)真型加載試驗

鋼管桿結(jié)構(gòu)在500 kV以上的輸電線路中使用的比較少，尤其是采用高強度鋼材設(shè)計的單桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計和運行的經(jīng)驗都不多。真型加載試驗[9-10]是驗證桿塔設(shè)計理論、設(shè)計方法和安全可靠性的最直接、最有效地方法。真型加載試驗在新材料、新結(jié)構(gòu)在桿塔設(shè)計中的運用或重要項目中得到廣泛運用。因此鋼管桿結(jié)構(gòu)除了經(jīng)過理論計算公式和有限元軟件計算外，還要進行真型加載試驗，驗證設(shè)計理論和分析軟件的準(zhǔn)確性。通過理論計算值和試驗值的對比分析，確保設(shè)計理論和設(shè)計軟件的計算結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的，同時為以后類似項目設(shè)計提供一手的參考數(shù)據(jù)。

3.1 真型加載試驗布置情況

AP-195和TSP10+6兩基桿塔的真型加載試驗分別在北京良鄉(xiāng)和河北霸州的國家電網(wǎng)公司電力建設(shè)研究所鐵塔試驗場完成。AP-195為單管鋼桿，桿底彎矩比較大，需在鋼管桿和試驗場萬能基礎(chǔ)之間增設(shè)轉(zhuǎn)換鋼梁，減小錨栓的上拔力，可以滿足在北京良鄉(xiāng)試驗場進行試驗的要求。TSP10+6 為四管組合結(jié)構(gòu)，根開較大，適合在河北霸州試驗場進行加載試驗，試驗桿型如圖1和圖2所示。

圖1 AP-195試驗桿型

圖2 TSP10+6試驗桿型

鋼管桿設(shè)計時考慮的工況較多，但有些工況不一定控制桿塔結(jié)構(gòu)。真型加載試驗時，根據(jù)桿塔的結(jié)構(gòu)特點和荷載工況對桿塔構(gòu)件的控制情況，來確定試驗用的工況，AP-195和TSP10+6桿型真型加載試驗工況如表4和表5所示。

表4 AP-195桿型試驗工況

表5 TSP10+6桿型試驗工況

根據(jù)桿塔構(gòu)件理論分析的受力和變形的情況，來布置測量應(yīng)變和位移的位置。應(yīng)變片布置在管體構(gòu)件受力較大的受拉和受壓側(cè)和受力復(fù)雜的節(jié)點處；位移觀測點布置在便于觀測的變形較明顯的位置，沿管體從上到下來布置，橫擔(dān)受縱向或豎向荷載較大時，橫擔(dān)端部會產(chǎn)生較大的變形，須設(shè)置變形觀測點。

3.2 真型加載試驗數(shù)據(jù)位移分析

由圖3和圖4可知，兩種桿型桿身和橫擔(dān)上均布置了位移觀測點，試驗中可以測量不同工況、不同位置的變形情況。圖5和圖6分別為兩種桿型在控制工況下，桿身測點設(shè)計值和實測值的對比數(shù)據(jù)曲線。通過圖5和圖6中的數(shù)據(jù)，可以看出關(guān)于鋼管桿結(jié)構(gòu)桿體變形的兩個特點。第一個特點是，桿身變形數(shù)據(jù)的實測值和設(shè)計值存在一定的差異，實測值比設(shè)計值偏大。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因很多，分析主要是由于桿體連接節(jié)點處的剛度，桿體加工制造精度，安裝誤差，試驗底部鋼梁受力變形等，都會使桿身變形的實測值比設(shè)計理論值偏大，但實測值的變形趨勢和設(shè)計值是一致的。第二個特點是，單桿結(jié)構(gòu)頂部位移實測值和設(shè)計值的差異量比四桿組合結(jié)構(gòu)的數(shù)值要大。經(jīng)分析，產(chǎn)生差異的主要原因是單桿結(jié)構(gòu)主要承受彎矩作用，套接節(jié)點處容易產(chǎn)生形變，使桿體實測的水平位移比設(shè)計值偏大。四桿結(jié)構(gòu)只要承受沿著桿件軸心的拉壓力和較小的彎矩，法蘭連接節(jié)點剛度好，所以位移的實測值和設(shè)計值差異比較小。試驗中，桿塔水平位移絕對值和差異值的大小，主要是由桿塔的受力情況和結(jié)構(gòu)特點決定的。單桿鋼管桿位移大，差異值也大，適合500 kV電壓等級中受力較小的直線或直線小轉(zhuǎn)角桿中；四桿鋼管桿結(jié)構(gòu)受力時，位移小，偏差值也小，適合用于500 kV電壓等級中受力較大的轉(zhuǎn)角耐張桿中。

圖3 AP-195桿型位移觀測點布置

圖4 TSP10+6桿型位移觀測點布置

圖5 AP-195桿型控制工況100%荷載位移曲線

圖6 TSP10+6桿型控制工況100%荷載位移曲線

3.3 真型加載試驗應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

控制工況下，兩種桿型的應(yīng)力最大位置如圖3和圖4 所示位置。AP-195 桿型應(yīng)力最大位置為，中間桿段的底部，靠近套接位置的受壓側(cè)；TSP10+6桿型應(yīng)力最大位置為，主桿變坡位置處的受壓斜桿。兩種桿型的試驗測量應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)和設(shè)計計算應(yīng)力如表6所示。

表6 應(yīng)力測量值與設(shè)計值對比

從表6 中可以看出實測應(yīng)力與計算應(yīng)力存在一定的差異，實測應(yīng)力比計算應(yīng)力數(shù)值偏大。單桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏差較小，組合鋼管桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏差較大。但兩種桿型的偏差數(shù)值都在8%以下，且僅在局部位置的應(yīng)力最大點處?？刂坪奢d工況加載過程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形均勻。加載結(jié)束后，無明顯的永久變形產(chǎn)生。試驗過程中產(chǎn)生差異的原因，經(jīng)分析主要有以下幾個方面。

桿塔加工誤差和材料偏差。加工精度誤差和材料厚度負偏差會導(dǎo)致應(yīng)力測量數(shù)值偏大。

結(jié)構(gòu)設(shè)計模型假設(shè)條件與試驗真實桿體構(gòu)件連接的差異。實際桿體結(jié)構(gòu)并非是完全理想的連接形式，如桿段中的插接節(jié)點會存在間隙；鉸接節(jié)點受到約束，并非完全的鉸接連接，導(dǎo)致桿段局部受到額外的彎曲應(yīng)力，測試應(yīng)力會變大。

與鋼管桿連接的剛性基礎(chǔ)，試驗過程中基礎(chǔ)底座會存在一定的變形，桿體受力不均勻。

桿塔組立過程中的誤差。桿塔組立過程中的誤差會使桿塔構(gòu)件安裝完后，存在額外的變形和應(yīng)力。

通過表6 中的數(shù)據(jù)比較和分析，試驗中的實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)存在一定的差異，但與計算數(shù)據(jù)基本吻合，說明桿塔構(gòu)件傳力和桿件布置是合理的，高強鋼應(yīng)用在500 kV鋼管桿結(jié)構(gòu)中是可行的。

4 結(jié)束語

通過兩種采用高強鋼加工的500 kV雙回路鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計介紹和真型加載試驗分析，得出如下結(jié)論。

在一些500 kV雙回路輸電桿塔項目中，采用高強鋼設(shè)計的直線單桿結(jié)構(gòu)和耐張轉(zhuǎn)角四管結(jié)構(gòu)是可行的。尤其在線路走廊狹窄的項目中，可以考慮高強鋼鋼管桿方案。

單桿結(jié)構(gòu)適用于受力較小的直線桿，四桿結(jié)構(gòu)適用于受力較大的轉(zhuǎn)角耐張桿結(jié)構(gòu)。

單桿結(jié)構(gòu)受力模式簡單、清晰，桿體采用插接連接，實測撓度誤差大，應(yīng)力誤差相對較?。凰臈U結(jié)構(gòu)受力模型相對復(fù)雜，桿體采用法蘭連接，實測撓度誤差小，應(yīng)力誤差相對較大。