角鋼塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形原因分析及對策研究

辜良雨，李 林，廖邢軍，劉翔云，隴源杰，付衛(wèi)斌

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司建設(shè)分公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在單回交流輸電線路中，懸垂直線塔通常有酒杯塔和貓頭塔兩種型式，兩種型式各有優(yōu)缺點(diǎn)。酒杯塔導(dǎo)線呈水平排列、導(dǎo)線水平間距大、線路走廊寬、房屋拆遷多；但由于塔頭較低，防雷效果較貓頭塔更優(yōu)，且塔材耗鋼量較輕。而貓頭塔導(dǎo)線呈三角形排列，具有導(dǎo)線水平間距小、線路走廊小、房屋拆遷少的優(yōu)點(diǎn)；但由于塔頭較高，防雷效果不如酒杯塔，且塔材耗鋼量較重。

鐵塔型式選擇與沿線的地形條件、交通條件、氣象條件、林木和房屋以及對線路有影響的設(shè)施分布情況、運(yùn)行維護(hù)等有著密不可分的關(guān)系。由于酒杯塔和貓頭塔各有優(yōu)缺點(diǎn)，兩種塔型在工程中都得到了廣泛應(yīng)用。但酒杯塔和貓頭塔的塔頭上下曲臂K節(jié)點(diǎn)屬于剛度相對薄弱點(diǎn)。500 kV平武線送電線路工程[1]和1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程[2]均出現(xiàn)了曲臂K節(jié)點(diǎn)位移的情況且經(jīng)過了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3-4]通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析和真型試驗(yàn)3個方面，分析了K節(jié)點(diǎn)位移及其對結(jié)構(gòu)承載力的影響。文獻(xiàn)[5]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理分析鐵塔K節(jié)點(diǎn)變形，給出了K節(jié)點(diǎn)變形值的合理范圍[5]。

下面在上述研究成果的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)、加工和施工的角度對角鋼塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形原因進(jìn)行分析，并結(jié)合理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出有效控制角鋼塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形的措施。

1 曲臂K節(jié)點(diǎn)變形情況調(diào)研

1.1 曲臂K節(jié)點(diǎn)

酒杯塔和貓頭塔的共同特點(diǎn)是塔頭由曲臂與導(dǎo)地線橫擔(dān)構(gòu)成，上下曲臂均為K節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)。不同的是，酒杯塔邊橫擔(dān)和中橫擔(dān)均在K節(jié)點(diǎn)以上，貓頭塔邊橫擔(dān)在K節(jié)點(diǎn)以下，如圖1所示。

圖1 酒杯塔、貓頭塔塔頭

上下曲臂采用K節(jié)點(diǎn)連接具有構(gòu)造簡單、傳力清晰、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是K節(jié)點(diǎn)易產(chǎn)生水平方向變形，尤其對于導(dǎo)線三角排列的貓頭塔，K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲變形也是工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)中普遍存在的一個突出問題，曲臂K節(jié)點(diǎn)變形如圖2所示。

圖2 曲臂K節(jié)點(diǎn)變形實(shí)例及示意圖

1.2 變形情況調(diào)研

以云南某500 kV交流輸電線路工程為例，該工程采用南方電網(wǎng)典型設(shè)計(jì)5E1Y1、5E1Y2模塊，在質(zhì)檢驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)有大量貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)處存在不同程度的向外鼓曲變形。對各標(biāo)段貓頭塔進(jìn)行了逐基測量，共得到479基鐵塔的K節(jié)點(diǎn)位移值情況，詳見表1。

表1 各標(biāo)段貓頭塔K節(jié)點(diǎn)單側(cè)位移值統(tǒng)計(jì)

從測量數(shù)據(jù)可以看出：各標(biāo)段貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲變形是普遍存在的現(xiàn)象；不同標(biāo)段單側(cè)位移值離散性較大，同一塔型在不同塔位甚至在同一標(biāo)段位移相差較大；各標(biāo)段單側(cè)位移平均值為23.4～49.1 mm，與外曲臂主材的長度之比約為1/160～1/350。對所有塔位的位移情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有塔位K節(jié)點(diǎn)單側(cè)位移最小值為15 mm，最大值為70 mm，平均值為35.3 mm，位移值分布如圖3所示。

圖3 曲臂K節(jié)點(diǎn)單側(cè)位移值分布

由圖3可見：約86.6%的塔位單側(cè)位移小于40 mm，約12.6%的塔位單側(cè)位移在40～60 mm，約0.8%的塔位單側(cè)位移大于60 mm；約92.5%的單側(cè)位移值集中在20～50 mm。

為分析貓頭塔K節(jié)點(diǎn)變形原因，在地面進(jìn)行了兩種貓頭塔塔頭的試組裝，采用臥式組裝后再吊裝豎直。試組裝結(jié)果表明：臥式組裝K節(jié)點(diǎn)位移值較小，甚至出現(xiàn)負(fù)值的情況，說明臥式組裝由于螺孔間隙、安裝誤差、加工誤差等原因會產(chǎn)生偏差，但是偏差值不大；吊裝豎直后，受自重影響，螺栓發(fā)生滑移，螺栓與螺孔孔壁發(fā)生擠壓抵緊，發(fā)出“咯吱咯吱”的聲響，K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲，單側(cè)位移平均值在30 mm左右。

2 K節(jié)點(diǎn)變形原因分析

2.1 設(shè)計(jì)因素

酒杯塔和貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)以上部分是典型的鉸拱結(jié)構(gòu)，鐵塔組裝完成之后，在橫擔(dān)自重和導(dǎo)地線垂直荷載作用下會發(fā)生鼓曲變形，但受力特點(diǎn)存在差異：對于酒杯塔，中橫擔(dān)自重和中導(dǎo)線垂直荷載使得K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲，但邊橫擔(dān)自重和邊導(dǎo)線垂直荷載使得K節(jié)點(diǎn)向內(nèi)側(cè)移動，如圖4所示；對于貓頭塔，中橫擔(dān)自重和中導(dǎo)線垂直荷載使得K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲，邊橫擔(dān)自重和邊導(dǎo)線垂直荷載同樣使得K節(jié)點(diǎn)向外側(cè)鼓曲，如圖5所示。

圖4 酒杯塔K節(jié)點(diǎn)位移分析

圖5 貓頭塔K節(jié)點(diǎn)位移分析

因此，貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲變形是一種力學(xué)現(xiàn)象，是受力的必然反映；酒杯塔由于邊導(dǎo)線和中導(dǎo)線具有相互抵消的作用，K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲變形的趨勢要小一些。

為了研究貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)理論變形量的大小，以5E1Y2-ZMH塔型為例，采用桿單元模型計(jì)算右曲臂外側(cè)各節(jié)點(diǎn)的理論位移值。選擇6個計(jì)算工況，其中：工況1，未架線，無風(fēng)；工況2，未架線，風(fēng)速為10 m/s；工況3，已架線，風(fēng)速為10 m/s；工況4，已架線，大風(fēng)，最大垂直荷載；工況5，已架線，大風(fēng)，最小垂直荷載；工況6，已架線，覆冰，最大垂直荷載。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 典型工況下貓頭塔曲臂位移值

從圖6中數(shù)據(jù)可以看出：

1)上曲臂各點(diǎn)沿橫擔(dān)方向的位移值(絕對位移)在大風(fēng)工況下較大，其次是覆冰工況，在安裝和未架線工況下較小。

2)在各工況下，上曲臂各點(diǎn)的變形并不相同。以曲臂K節(jié)點(diǎn)為界，變形曲線基本呈雙折線模式，在曲臂K節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)拐點(diǎn)，即外鼓變形。這和現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象基本一致。說明K節(jié)點(diǎn)作為剛度上的薄弱點(diǎn)，在正常加工和施工情況下，其受力時(shí)的變形現(xiàn)象為外鼓變形。

3)K節(jié)點(diǎn)的相對變形值與導(dǎo)地線垂直荷載關(guān)系較大。垂直檔距越大，垂直荷載越大，理論計(jì)算變形值也相對越大。

4)在各工況下，K節(jié)點(diǎn)相對外曲臂上下端點(diǎn)的理論變形值較小。架線前的相對變形約為桿件全長的1/3000，架線后約為桿件全長的1/500，大風(fēng)情況下約為桿件全長的1/750，覆冰情況下約為桿件全長的1/350。

為了探討K節(jié)點(diǎn)位移對附近桿件受力的影響，假定貓頭塔未強(qiáng)行組裝，K節(jié)點(diǎn)位移主要為螺栓滑移變形，不會產(chǎn)生附加內(nèi)力。因此，在正常加工和組裝的前提下，可僅考慮K節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、尺寸變化對構(gòu)件承載力的影響。以5E1Y1-ZMH1為例，對K節(jié)點(diǎn)位移后的內(nèi)外曲臂主材進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

由圖7可知，在不考慮附加內(nèi)力的前提下，K節(jié)點(diǎn)向外位移會導(dǎo)致上曲臂內(nèi)主材、上下曲臂外主材內(nèi)力增加，單側(cè)位移達(dá)到80 mm時(shí)上曲臂內(nèi)主材內(nèi)力增加11%。

圖7 K節(jié)點(diǎn)位移對主材內(nèi)力影響

2.2 加工因素

放樣尺寸誤差、螺孔間隙、塔材的初彎曲以及瓶口、曲臂、曲板角度等加工因素，均對K節(jié)點(diǎn)的位移有一定影響。

由于輸電鐵塔全部采用粗制螺栓，螺栓孔比螺栓公稱直徑一般大1.5～2.0 mm。而實(shí)際加工制造時(shí)，孔徑往往還要偏大，而螺栓實(shí)際直徑往往比公稱直徑偏小，這樣會進(jìn)一步加大相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位移。

由于螺栓與螺孔之間的間隙，會造成最大構(gòu)造間隙為2e(e為螺孔與螺桿直徑的差值)，如圖8所示。

圖8 螺栓滑移

根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，螺孔直徑平均比螺栓公稱直徑大2.17 mm，單個螺栓間隙滑移最大值達(dá)4.34 mm。螺栓與螺孔之間的間隙引起的累積位移往往不可忽略，對K節(jié)點(diǎn)處位移影響較大。

2.3 施工因素

施工工藝、施工方法和施工習(xí)慣，也會對曲臂K節(jié)點(diǎn)的位移產(chǎn)生影響。從各施工標(biāo)段提供的數(shù)據(jù)可以看出，不同標(biāo)段單側(cè)位移平均值的離散性較大，這說明了位移大小和施工隊(duì)伍、施工工藝關(guān)系較大，良好的施工工藝和組織管理可有效控制曲臂K節(jié)點(diǎn)相對位移。

在塔頭組裝時(shí)，由于上部未閉合，若未對左右兩側(cè)K節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移限制，下曲臂和塔身形成一個開口式Y(jié)型結(jié)構(gòu)，在自重作用下會產(chǎn)生一定位移，如圖9所示。

圖9 塔頭組裝

為了驗(yàn)證施工因素對K節(jié)點(diǎn)的影響，對云南某工程AN145塔位鐵塔組立過程進(jìn)行了監(jiān)測。施工采用內(nèi)懸浮內(nèi)拉線方法，組裝塔頭部位時(shí)內(nèi)拉線打在塔身?xiàng)U件上，不對塔頭桿件施加外荷載，現(xiàn)場組立如圖10所示。

圖10 AN145塔位現(xiàn)場組立監(jiān)測

對塔頭部位控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測量，將測量數(shù)據(jù)投影到豎直面上，通過與下曲臂上平面主材交點(diǎn)(見圖10中測點(diǎn)9)的相對位置關(guān)系，研究塔頭各點(diǎn)的位移情況，測量數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 垂直位移測量數(shù)據(jù)

從表2可以看出，各測點(diǎn)垂直坐標(biāo)Z的差值均為負(fù)，表明曲臂和橫擔(dān)發(fā)生向下位移；從表3可以看出，各測點(diǎn)水平坐標(biāo)均為正，表明曲臂和橫擔(dān)向外位移。這是由于塔頭上部未閉合，下曲臂和塔身形成一個開口式的Y型結(jié)構(gòu)。此時(shí)若不采取限制位移的措施，曲臂和橫擔(dān)在自重作用下將產(chǎn)生下墜，導(dǎo)致K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲變形。

表3 水平位移測量數(shù)據(jù)

如果不對曲臂和橫擔(dān)的下墜進(jìn)行糾正就組裝頂部的水平橫擔(dān)，則需將K節(jié)點(diǎn)上部左右塔材強(qiáng)行拉近才能組裝到位。然而，K節(jié)點(diǎn)剛度相對塔頭其他部位較弱，會使得K節(jié)點(diǎn)主材向外鼓曲，如圖11所示。

圖11 貓頭塔K節(jié)點(diǎn)變形

2.4 K節(jié)點(diǎn)變形原因小結(jié)

通過上述分析可知，曲臂K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲是一種力學(xué)現(xiàn)象，經(jīng)計(jì)算，常規(guī)500 kV貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)架線前的理論相對位移約為2～3 mm，架線后的理論相對位移約為3～15 mm，理論變形值相對較小。

從典型鐵塔組立結(jié)果可以看出，施工方法對K節(jié)點(diǎn)位移影響較大，如果強(qiáng)制組裝不對曲臂和橫擔(dān)的下墜進(jìn)行糾正，將加大鼓曲變形。

因此，K節(jié)點(diǎn)位移主要受施工因素影響，其次為加工因素，再次為設(shè)計(jì)因素。

3 K節(jié)點(diǎn)變形控制措施

從上述分析結(jié)果可以看出，角鋼塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形是無法徹底避免的客觀現(xiàn)象，只能通過采取控制措施減小變形的不利影響。通過有針對性的研究發(fā)現(xiàn)，除適當(dāng)提高鐵塔加工精度減小初始變形外，還建議在設(shè)計(jì)和施工中采取以下措施控制K節(jié)點(diǎn)的變形。

3.1 設(shè)計(jì)措施

1)由于酒杯塔中橫擔(dān)和邊橫擔(dān)垂直荷載引起的K節(jié)點(diǎn)變形具有相互抵消的效果，因此在走廊條件允許的情況下，優(yōu)先采用受力性能更好的酒杯塔。

2)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求壓桿初彎曲不能超過桿長的1/1000，GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》[7]中規(guī)定鐵塔組立后，各相鄰主材節(jié)點(diǎn)間彎曲度不得超過1/750。這是因?yàn)檩S心受力桿件的初彎曲會引起P-Δ效應(yīng)，嚴(yán)重降低壓桿的極限承載力；但K節(jié)點(diǎn)是一個節(jié)點(diǎn)，它的橫向位移并不等同于軸心受力桿件的初彎曲，因此不會引起P-Δ效應(yīng)，也就不會降低壓桿的極限承載力[4]。貓頭塔外曲臂主材一般長度不大，以往多采用通長桿件，在工程實(shí)踐中有的質(zhì)檢單位會采用各相鄰主材節(jié)點(diǎn)間彎曲度不得超過1/750的標(biāo)準(zhǔn)來判斷，對工程的驗(yàn)收造成了一定的困難。因此，曲臂K節(jié)點(diǎn)外主材不宜采用通長桿件，建議開斷處理，回避前述驗(yàn)收規(guī)定。

此外，曲臂K節(jié)點(diǎn)外主材不宜設(shè)計(jì)為直線，建議采用折線設(shè)計(jì)，降低K節(jié)點(diǎn)變形后的視覺誤差效果。

曲臂K節(jié)點(diǎn)外主材常見處理方式及推薦方案見表4。

表4 曲臂K節(jié)點(diǎn)外主材方案對比

3)K節(jié)點(diǎn)處內(nèi)外曲臂主材夾角不宜太小，建議不小于18°，以確保K節(jié)點(diǎn)處具有良好的剛度，如圖12所示。

圖12 K節(jié)點(diǎn)處內(nèi)外曲臂主材夾角控制

4)K節(jié)點(diǎn)發(fā)生位移難免會對節(jié)點(diǎn)附近的桿件產(chǎn)生附加應(yīng)力，建議對上下曲臂主材和正側(cè)面節(jié)點(diǎn)板加大一級。

3.2 施工措施

1)施工單位在塔頭組裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求在邊橫擔(dān)內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)及曲臂K節(jié)點(diǎn)設(shè)置對拉鋼繩，對曲臂和橫擔(dān)的下墜進(jìn)行糾正，控制組塔期間的變形，如圖13所示。

圖13 施工孔及拉線布置

2)架線完成后應(yīng)復(fù)核K節(jié)點(diǎn)變形情況，變形較大時(shí)，應(yīng)先松開K節(jié)點(diǎn)(B1、B2)及邊橫擔(dān)內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)(A1、A2)連接螺栓，通過對拉鋼繩調(diào)整到設(shè)計(jì)值后再緊固螺栓，如圖14所示。

圖14 對拉施工孔

3.3 試組裝及工程檢驗(yàn)

在后續(xù)云南某新建500 kV交流輸電線路工程中，對貓頭塔采取了以下控制措施：

1)曲臂K節(jié)點(diǎn)外主材設(shè)計(jì)為折線，并進(jìn)行開斷；

2)上曲臂內(nèi)主材與外主材夾角按25°設(shè)計(jì)，下曲臂內(nèi)主材與外主材夾角按23°設(shè)計(jì)；

3)上下曲臂主材和正側(cè)面節(jié)點(diǎn)板規(guī)格見表5；

表5 曲臂主材和節(jié)點(diǎn)板規(guī)格

4)在K節(jié)點(diǎn)及邊橫擔(dān)內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置左右對拉施工孔，在鐵塔組立過程中設(shè)置對拉鋼繩，控制曲臂和橫擔(dān)的下墜以及K節(jié)點(diǎn)的變形。

對采取了上述控制措施的貓頭塔在塔廠進(jìn)行了立式試裝，如圖15所示。然后進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證，實(shí)測數(shù)據(jù)如表6所示。

圖15 貓頭塔立式試組裝現(xiàn)場

表6 K節(jié)點(diǎn)位移實(shí)測數(shù)據(jù)

實(shí)測數(shù)據(jù)表明，K節(jié)點(diǎn)位移值在0～1 mm之間，肉眼基本無法看出明顯的變形，試驗(yàn)塔滿足驗(yàn)收要求。

4 結(jié) 論

上面以某500 kV交流輸電線路工程貓頭塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形統(tǒng)計(jì)情況為基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)、加工、施工三方面對曲臂K節(jié)點(diǎn)變形進(jìn)行深入分析后認(rèn)為，角鋼塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形是一種正常的力學(xué)現(xiàn)象，是受力的必然反映，不能徹底避免，且受加工精度和施工方法影響較大。在設(shè)計(jì)和施工中建議采取以下措施控制K節(jié)點(diǎn)的變形：

1)在走廊條件允許的情況下，優(yōu)先采用受力性能更好的酒杯塔；

2)曲臂K節(jié)點(diǎn)外主材不宜采用通長桿件，建議開斷處理；

3)K節(jié)點(diǎn)處內(nèi)外曲臂主材夾角不宜太小，建議不小于18°；

4)在受力計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對上下曲臂主材和正側(cè)面節(jié)點(diǎn)板加大一級；

5)塔頭組裝時(shí)，在邊橫擔(dān)內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)及曲臂K節(jié)點(diǎn)設(shè)置對拉鋼繩，對曲臂和橫擔(dān)的下墜進(jìn)行糾正，控制組塔期間的變形；

6)架線完成后應(yīng)復(fù)核K節(jié)點(diǎn)變形情況，變形較大時(shí)，通過對拉鋼繩調(diào)整到設(shè)計(jì)值后再緊固螺栓。

塔頭立式組裝和工程實(shí)踐結(jié)果表明，采取了所設(shè)計(jì)的構(gòu)造措施并規(guī)范施工工藝后，曲臂K節(jié)點(diǎn)在組塔階段的變形值接近0，架線后也無明顯變形，控制措施效果顯著，值得在今后的鐵塔設(shè)計(jì)、施工中借鑒采用。