1 000 kV特高壓耐張鋼管塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)選材分析

王智飛，默增祿，任宗棟，李士鋒，黃璜，張遨宇

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100032)

0 引言

大容量和長(zhǎng)距離輸電的需求，促進(jìn)了電網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特高壓電網(wǎng)在我國(guó)應(yīng)運(yùn)而生。正在建設(shè)的淮南—皖南—浙北—滬西1 000 kV交流輸電工程(皖電東送)是國(guó)內(nèi)首條特高壓同塔雙回輸電工程，由于鐵塔結(jié)構(gòu)承受荷載較大，利用角鋼材料已經(jīng)無(wú)法滿足承載力的要求。鋼管塔具有構(gòu)件小、剛度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、傳力清晰等優(yōu)點(diǎn)，能充分發(fā)揮材料的承載性能，因此塔身主材、斜材等主要受力構(gòu)件可優(yōu)先選用鋼管構(gòu)件［1-8］。橫擔(dān)為特高壓桿塔的重要組成部分，其上、下主材和斜材的受力和計(jì)算長(zhǎng)度值分別小于塔身主材和斜材。本文以皖電東送線路工程鋼管塔為例，研究特高壓耐張桿塔導(dǎo)線橫擔(dān)的選材原則，為今后特高壓桿塔設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼管塔設(shè)計(jì)參數(shù)

皖電東送線路工程同塔雙回路SJ274鋼管塔設(shè)計(jì)條件為:最大風(fēng)速27 m/s，導(dǎo)線覆冰厚度10 mm，水平檔距500 m，垂直檔距650 m，導(dǎo)線為8×JL/G1A－630/45－45/7，地線為1×LBGJ－240－20AC，轉(zhuǎn)角度數(shù)為30°～40°，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.1。桿塔采用鴨嘴型橫擔(dān)，沿塔身向外收口［4］，各橫擔(dān)尺寸見(jiàn)表1。

表1 橫擔(dān)外形尺寸Tab.1 Size of cross arm

2 橫擔(dān)選材分析

2.1 橫擔(dān)主材

根據(jù)桿塔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，橫擔(dān)上部主材承受拉力900～1 200 kN，下部主材承受壓力750～1 400 kN。橫擔(dān)上部主材采用單肢角鋼或鋼管均能滿足選材要求，橫擔(dān)下部受壓控制主材計(jì)算長(zhǎng)度達(dá)3～4 m，單肢角鋼已不能滿足選材要求，若采用雙拼角鋼，則節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造及掛點(diǎn)設(shè)置較為復(fù)雜，因此推薦耐張塔橫擔(dān)下部主材選用鋼管。本文對(duì)橫擔(dān)上、下主材選用鋼管(方案I)和上主材選用角鋼、下主材選用鋼管(方案Ⅱ)這2種方案進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 橫擔(dān)主材選材方案Tab.2 Selection scheme of main-legs for cross arm

與方案I相比，方案Ⅱ上部主材最大控制拉力增大5% ～9%，下部主材最大控制壓力減小6% ～12%，致使方案Ⅱ下部主材鋼管選材規(guī)格降1～2級(jí)。經(jīng)分析桿件截面模量的變化是引起上、下主材內(nèi)力重分配的主要原因。表3給出2種方案橫擔(dān)主材截面模量比值和質(zhì)量比值。由表3可知:方案Ⅱ橫擔(dān)上部主材截面模量較方案I增大15% ～30%，橫擔(dān)下部主材截面模量較方案I減小10% ～25%;2種方案的質(zhì)量指標(biāo)基本相當(dāng)，并無(wú)明顯變化。

表3 橫擔(dān)主材截面模量及質(zhì)量比值Tab.3 Ratio of section modulus and mass of cross arm's main-legs

經(jīng)對(duì)比分析，2種方案的橫擔(dān)風(fēng)荷載變化量均較小，與整個(gè)桿塔風(fēng)荷載相比可忽略不計(jì);考慮到角鋼單價(jià)優(yōu)勢(shì)明顯，若上部主材采用角鋼，其與塔身及橫擔(dān)下部主材的連接方便且構(gòu)造簡(jiǎn)單。

2.2 橫擔(dān)正面斜材

對(duì)橫擔(dān)正面斜材按照鋼管和角鋼分別優(yōu)化選材，經(jīng)計(jì)算各橫擔(dān)相同位置的選材規(guī)格基本相同，主要是由長(zhǎng)細(xì)比控制選材，鋼管受最小規(guī)格限制，桿件規(guī)格均為φ89 mm×4 mm或φ102 mm×4 mm;正面斜材采用角鋼時(shí)塔質(zhì)量比采用鋼管的大0.2 t左右，約占總塔質(zhì)量的0.07%。

橫擔(dān)正面垂直方向桿件投影面積如表4所示。由表4可知:正面斜材采用角鋼的投影面積僅比鋼管大1%左右;橫擔(dān)正面斜材采用角鋼或鋼管對(duì)塔身風(fēng)荷載影響并不大。同時(shí)，該部位采用角鋼時(shí)的加工及安裝難度與采用鋼管相當(dāng)?？紤]立塔后整體外觀效果，推薦橫擔(dān)正面斜材采用鋼管。

表4 橫擔(dān)正面垂直方向桿件投影面積Tab.4 Vertical projected area of cross arm m2

2.3 上、下平面交叉斜材

橫擔(dān)上、下平面交叉斜材按照角鋼和鋼管分別選材，計(jì)算結(jié)果表明:角鋼選材范圍在└100 mm×7 mm至└160 mm×10 mm之間，長(zhǎng)細(xì)比為110～180;鋼管選材受微風(fēng)振動(dòng)長(zhǎng)細(xì)比限值影響，范圍為φ89 mm×4 mm至 φ159 mm ×4 mm，長(zhǎng)細(xì)比為90～130。

表5為各橫擔(dān)上、下平面斜材選用鋼管和角鋼質(zhì)量之比。經(jīng)計(jì)算，選用鋼管的理論計(jì)算質(zhì)量合計(jì)為4.9 t，而考慮鋼管連接插頭、連接板及連接螺栓等部件后的施工圖質(zhì)量合計(jì)為7.1 t，質(zhì)量增幅40%以上。表6為不同選材結(jié)果的施工圖質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)橫擔(dān)上、下平面斜材選用角鋼其質(zhì)量較鋼管增加1.3 t，對(duì)塔質(zhì)量影響約1%，對(duì)塔質(zhì)量整體影響并不明顯。

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綜上，橫擔(dān)上、下平面交叉斜材選材的鋼管均為小直徑的無(wú)縫鋼管，單價(jià)較高，與角鋼相比存在明顯競(jìng)價(jià)劣勢(shì)，由其塔質(zhì)量引起的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將大為減小。對(duì)于鋼管構(gòu)件，無(wú)論是相貫連接或插板連接，都存在較大的焊接工作量，焊縫質(zhì)量直接影響到鐵塔結(jié)構(gòu)的安全可靠［5-6，9］，尤其影響直接承受動(dòng)荷載的橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的安全，并且橫擔(dān)交叉斜材采用鋼管拼裝難度較大，而選用角鋼則不存在類似問(wèn)題。

2.4 橫擔(dān)上、下平面交叉斜材彎曲撓度

交叉斜材在自重荷載作用下，產(chǎn)生彎曲變形，稱為“塌腰”，斜材中點(diǎn)出現(xiàn)最大撓曲變形。梁的撓曲線方程［10］為

式中:x為變形前梁的軸線方向;ν為梁橫截面形心沿梁軸線垂直方向的撓度;M(x)為梁自重彎矩;EI為梁截面彎曲模量。

橫擔(dān)交叉斜材可近似為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)形式。由簡(jiǎn)支梁邊界條件，對(duì)撓曲方程二次積分，可得梁中點(diǎn)最大撓度為

式中:q為梁自重沿長(zhǎng)度方向的均布荷載;l為梁跨長(zhǎng)。

將交叉斜材分別選用角鋼與鋼管，計(jì)算其最大彎曲撓度，表7為橫擔(dān)第1組交叉斜材最大撓度占桿件總長(zhǎng)百分比。

由表7可知，斜材選用角鋼或鋼管的最大撓度值為桿件長(zhǎng)度的0.01% ～0.39%;角鋼與鋼管撓度比為0.50～1.36，僅左下與右下橫擔(dān)處比值達(dá)3.9左右，但最大撓度絕對(duì)值不到3 mm。由此可見(jiàn)，交叉斜材選用角鋼或鋼管其撓度絕對(duì)值均較小，采用角鋼的彎曲撓度并不都大于鋼管，部分桿件的撓度變形要小于鋼管。

表7 橫擔(dān)斜材最大撓度Tab.7 Maximum deflection of cross arm's diagonal members

3 結(jié)論

(1)橫擔(dān)上主材采用角鋼或鋼管，其上、下主材內(nèi)力發(fā)生重分配，并影響橫擔(dān)下主材選材規(guī)格;橫擔(dān)上主材采用角鋼在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面是可行的;橫擔(dān)下主材建議采用鋼管。

(2)橫擔(dān)正面斜材采用角鋼或鋼管，對(duì)桿塔內(nèi)力變化影響可忽略不計(jì)，考慮桿塔正面整體美觀性，建議橫擔(dān)正面斜材采用鋼管。

(3)上、下平面交叉斜材采用角鋼或鋼管的自重最大彎曲撓度值與桿件長(zhǎng)度之比為0.01% ～0.39%，撓度絕對(duì)值均較小;角鋼與鋼管的最大撓度之比為0.50～1.36，斜材采用角鋼的撓度值并不都大于鋼管。

(4)綜合經(jīng)濟(jì)性及加工安裝因素，橫擔(dān)上、下面交叉斜材采用角鋼構(gòu)件較為合理。

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