Q420大截面角鋼在特高壓輸電線路中的應(yīng)用

杜榮忠

（廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧，530023）

Q420大截面角鋼在特高壓輸電線路中的應(yīng)用

杜榮忠

（廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧，530023）

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，“用電荒”現(xiàn)象日益嚴(yán)重。為了均衡不同區(qū)域間電力產(chǎn)能，越來越多的同塔多回路、特高壓輸電線路開始建設(shè)。這些線路具有導(dǎo)線荷載大的特點(diǎn)，與之相對應(yīng)的鐵塔上的負(fù)荷也很大，如果按照傳統(tǒng)習(xí)慣，繼續(xù)使用Q345鋼材，一般要用到組合角鋼（雙拼角鋼或四拼角鋼）或者鋼管。組合角鋼大大增加了塔重，且加工量很大，而鋼管塔加工復(fù)雜、焊接量大，不便于山區(qū)運(yùn)輸。為突破傳統(tǒng)，使用Q420高強(qiáng)度大截面角鋼（簡稱大角鋼），在一定程度上可以避免使用組合角鋼，成倍減少鐵塔的加工量，大量減少連接螺栓和填板，減少鐵塔鋼耗，也使鐵塔組立的施工量和施工難度大大減小，在工程中應(yīng)用Q420大角鋼是值得研究的課題。

1 Q420大角鋼的特點(diǎn)

1.1 大角鋼與十字雙拼組合角鋼（簡稱十字雙角鋼）的基本截面特性參數(shù)

大角鋼特指強(qiáng)度等級Q420、肢寬b大于200mm，小于250mm的單角鋼，其較普通單角鋼具有肢寬與肢厚均較大、截面面積大、回轉(zhuǎn)半徑大、承載能力高的特點(diǎn)。其截面示意圖見圖1，其截面特性表見表1[1]。

圖1 大角鋼截面示意圖Fig.1 Section of large width angle steel

十字雙角鋼是指通過節(jié)點(diǎn)板和中間填板將2個(gè)單角鋼拼接起來共同承力的十字形組合角鋼，其截面示意圖見圖2，其截面特性表見表2[2]。

表1 大角鋼規(guī)格及截面特性表Tab.1 Specification and section characteristic of large width angle steel

圖2 十字雙角鋼截面示意圖Fig.2 Section of crisscross double built-up angle steel

表2 十字雙角鋼規(guī)格及截面特性表Tab.2 Specification and section characteristic of crisscross double built-up angle steel

1.2 大角鋼與十字雙角鋼臨界計(jì)算長度

在鐵塔優(yōu)化設(shè)計(jì)中，合理的結(jié)構(gòu)布置形式可以有效降低塔重，而且可以使受力合理，有效節(jié)約成本，而設(shè)計(jì)時(shí)塔身主材的規(guī)格主要由“軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算”和“軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算”2個(gè)計(jì)算過程控制，當(dāng)強(qiáng)度應(yīng)力等于穩(wěn)定應(yīng)力，且均達(dá)到最大值時(shí)，該材料達(dá)到了臨界受力狀態(tài)，稱此時(shí)桿件的計(jì)算長度為臨界計(jì)算長度。以下為確定臨界計(jì)算長度的過程。

根據(jù)軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式[3]

式中，N為軸心拉力或軸心壓力設(shè)計(jì)值，N；m為構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)；雙肢連接的主材，m＝1；An為構(gòu)件凈截面面積，mm2；f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

對Q420鋼材，肢厚≤16時(shí)，f=380N/mm2；35≥肢厚>16時(shí)，f=360N/mm2。

根據(jù)軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算公式[3]

式中，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，mm2；mN為壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)。

角鋼構(gòu)件的mN計(jì)算公式為

式中，b為角鋼翼緣板自由外伸寬度，mm；t為角鋼肢厚，mm。

根據(jù)式（1）、式（2），可得臨界穩(wěn)定系數(shù)

式中，L0為構(gòu)件計(jì)算長度，r為構(gòu)件回轉(zhuǎn)半徑。

對2端雙肢連接的主材長細(xì)比修正系數(shù)K=1；據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》表6[4]，Q420鋼材屈服強(qiáng)度值fy，t≤16mm時(shí)，fy=420N/mm2，t>16mm時(shí)，fy=400N/mm2，據(jù)《鋼規(guī)》表c-2[5]，通過查表中的Φ值反算出λ值，進(jìn)而由式（5）求出臨界計(jì)算長度L0。

通過計(jì)算，列出了部分普通角鋼和大角鋼及部分十字雙角鋼的臨界計(jì)算長度，見表3。超過臨界計(jì)算長度范圍內(nèi)的主材為穩(wěn)定控制，否則為強(qiáng)度控制。采用接近此計(jì)算長度的角鋼較能充分利用鋼材的抗壓能力。臨界計(jì)算長度為理想的布置長度，在實(shí)際塔身布置過程中，由于需綜合考慮斜材的角度、輔助材的布置形式、本體和接腿的合理銜接，不一定完全按照臨界計(jì)算長度來布置節(jié)間。根據(jù)筆者在設(shè)計(jì)鐵塔過程中的經(jīng)驗(yàn)，給出了建議計(jì)算長度，以供讀者參考；由于部分薄壁角鋼易局部失穩(wěn)，在鐵塔設(shè)計(jì)中不建議使用，在此一并給出。

從表3數(shù)據(jù)可以直觀地看出大角鋼同十字雙角鋼臨界計(jì)算長度的差異，雙角鋼要較大角鋼計(jì)算長度大許多，因此，十字雙角鋼可以布置較少的輔助材，可以有較大的節(jié)間長度，而大角鋼則在布置斜材和輔助材時(shí)，節(jié)間較密，增加了輔助材的重量。因此，在輔助材用量上，十字雙角鋼比較省材。

表3 Q420角鋼的臨界計(jì)算長度Tab.3 Critical effective length of Q420angle steel

1.3 大角鋼與十字雙角鋼主材應(yīng)力比控制

考慮到施工、安裝等的誤差，以及角鋼材料加工缺陷等一些不可預(yù)知的不利因素的影響[6]，結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主材應(yīng)用大角鋼時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)力比控制為0.95，可以有效的保證鐵塔的安全。在主材中使用十字雙角鋼，根據(jù)《鋼規(guī)》第5.1.2.1條[5]，雙軸對稱十字雙角鋼應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)屈曲

式中，λx1＝Lq1/rx1，λy1＝Lq2/ry1；b為角鋼懸伸一肢的懸伸長度；t為懸伸部分厚度；Lq取max（Lq1，Lq2）。通過計(jì)算可確定部分十字雙角鋼的扭轉(zhuǎn)屈曲計(jì)算長度。結(jié)合筆者鐵塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)際計(jì)算長度≤扭轉(zhuǎn)屈曲計(jì)算長度時(shí)，主材應(yīng)力比控制為0.9；當(dāng)實(shí)際計(jì)算長度≥扭轉(zhuǎn)屈曲計(jì)算長度時(shí)，主材應(yīng)力比控制為0.95；根據(jù)鐵塔真型試驗(yàn)結(jié)果表明：由于十字雙角鋼本身的原因，角鋼間受力分配不均勻，造成鐵塔結(jié)構(gòu)在理論破壞荷載前破壞，十字雙角鋼鐵塔需預(yù)留較大裕度[7]。在充分考慮十字雙角鋼的扭轉(zhuǎn)屈曲和結(jié)構(gòu)受力缺陷，筆者列出了十字雙角鋼的主材應(yīng)力比控制程度，見表4，供參考使用。

表4 十字雙角鋼主材控制應(yīng)力比Tab.4 Control stress ratio of crisscross double built-up angle steel main leg

2 應(yīng)用實(shí)例

本文選取糯扎渡送電廣東±800kV直流輸電線路工程中應(yīng)用頻率較高的J2713塔為實(shí)例，其主材應(yīng)用了Q420大角鋼，設(shè)計(jì)時(shí)為了做到最優(yōu)設(shè)計(jì)，采用自立式鐵塔滿應(yīng)力分析程序（北京道亨2.0版）對J2713分別建立大角鋼模型和十字雙角鋼模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 材料選用

通過跟目前國內(nèi)的塔廠進(jìn)行溝通了解塔材供貨情況，為了方便批量化生產(chǎn)，并考慮角鋼的局部穩(wěn)定，本工程的大角鋼采用了如下規(guī)格：L220×20～L220×26、L250×20～L250×30。規(guī)格在L140×10以上的主材角鋼采用Q420鋼，M16、M20螺栓采用6.8級，M24螺栓采用8.8級。

2.2 J2713塔設(shè)計(jì)條件及建模計(jì)算

J2713塔設(shè)計(jì)條件見表5。由于大角鋼與十字雙角鋼的臨界計(jì)算長度不同，為了比較塔身主材使用兩種截面所引起的塔重變化，在充分考慮臨界計(jì)算長度，并考慮結(jié)構(gòu)布置形式合理性的基礎(chǔ)上，分別建立兩種模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，模A為大角鋼，模B為十字雙角鋼。單線圖見圖3（a）和圖3（b），2種模型采用設(shè)計(jì)荷載、上口寬、瓶口、根開完全相同的情況下進(jìn)行比較。

2.3 計(jì)算結(jié)果

模A主材應(yīng)力比控制為0.95，模B主材應(yīng)力比按前表4控制。表6統(tǒng)計(jì)了模A和模B全塔塔重變化比較情況。

表6 J2713塔重比較Tab.6 Weightcomparison ofJ2713tower

圖3 J2713塔各模型單線圖Fig.3 Diversified models outline of J2713tower

從表6中可以看出，采用大角鋼較采用同根開的十字雙角鋼，鐵塔總重量可以減輕約4.8%，而且大角鋼具有構(gòu)造簡單、加工方便、傳力較好的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在大荷載的鐵塔上，是非常值得大范圍推廣使用的。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

采用大角鋼后減少了塔重，降低了線路造價(jià)，以J2713塔54m呼稱高為例，按照目前的市場價(jià)，鐵塔單價(jià)暫按8500元/t進(jìn)行估算，主材采用Q420十字雙角鋼暫按1750元/t估算安裝費(fèi)，主材采用Q420大角鋼暫按1400元/t（1750×80%元/t）估算安裝費(fèi)[7]。J2713塔主材采用Q420十字雙角鋼與Q420大角鋼總費(fèi)用見表7。由表7可以看出，J2713塔（呼稱高54m）主材采用Q420大角鋼可以節(jié)省9.34萬元，約占總成本的8.0%。

3 結(jié)語

通過理論和建模計(jì)算分析比較，得出了如下結(jié)論：

表7 J2713塔總費(fèi)用對比Tab.7 Total cost comparison of J2713tower

1）采用大角鋼，可以避免使用組合角鋼，以達(dá)到減少加工量、減少連接螺栓和填板、方便加工和安裝、有效降低施工難度的目的。

2）采用大角鋼，可以避免使用十字雙角鋼而造成的主材受力不均勻以及十字形截面扭轉(zhuǎn)屈曲而引起的截面削弱。

3）采用大角鋼，較使用同等條件下的雙角鋼，可以節(jié)約塔材約4.8%。

4）糯扎渡±800kV直流工程中的J2713塔（呼高54m）主材采用Q420大角鋼后，每基鐵塔節(jié)省成本9.34萬元，全線該塔數(shù)量眾多，可有效降低工程造價(jià)；因此大規(guī)模推廣使用Q420大角鋼，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司.糯扎渡送電廣東±800kV直流輸電線工程鐵塔施工圖制圖統(tǒng)一規(guī)定[R].廣州：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，2010.

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Applications of Q420Large Section Angle Steel in UHV Power Transmission Line

DU Rong-zhong
（GuangxiElectricPowerIndustryInvestigationDesignandResearchInstitute,Nanning530023,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China）

Considering the section characteristic of large width angle steel,the critical effective length of large width angle steel and part of crisscross double built-up angle steel is calculated through theoretical analysis.The stress ratio control of large width angle steel and crisscross double built-up angle steel in the project design is analyzed.Taking the J2713tower in±800kV DC transmission line from Nuozhadu to Guangdong Province as an example,this paper analyzes the design result and economic efficiency through establishing double models of large width angle steel and crisscross double built-up angle steel,and optimizing calculation,and concludes that the Q420large width angle steel is worthy of large-scale application.

large section angle steel；crisscross double built-up angle steel；UHV；critical effective length；stress ratio；torsion buckling；economic benefits

結(jié)合大截面角鋼的截面特性，通過理論分析計(jì)算出了大角鋼及部分十字雙角鋼的臨界計(jì)算長度，并分析了設(shè)計(jì)中對大角鋼和十字雙角鋼的應(yīng)力比控制情況；以糯扎渡送電廣東±800kV直流線路中的J2713塔作為實(shí)例，通過建立大角鋼和十字雙角鋼2種模型，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，并對設(shè)計(jì)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析比較，Q420大角鋼值得大規(guī)模推廣應(yīng)用的結(jié)論。

大截面角鋼；十字雙角鋼；特高壓；臨界計(jì)算長度；應(yīng)力比；扭轉(zhuǎn)屈曲；經(jīng)濟(jì)效益

1674-3814（2011）11-0030-05

TM75

B

2011-06-22。

杜榮忠（1981—），男，碩士，工程師，主要從事輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。

（編輯 董小兵）