輸電鐵塔技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

石 巖，楊 波，羅 軍

（1.濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250001）

0 引言

輸電鐵塔主要包括角鋼塔、鋼管塔、鋼管角鋼組合塔、鋼管桿等。原材料主要是熱軋等邊角鋼、無縫鋼管、直縫焊管、鋼板等，其中直縫焊管和鋼管桿由鋼板卷制焊接而成。2005年以前，我國輸電鐵塔用鋼牌號主要是Q235和Q345。隨著超高壓、特高壓、同塔多回、大跨越等工程的建設(shè)，鐵塔承受的荷載不斷提高，對鋼材的材質(zhì)和規(guī)格等提出了更高的要求。為適應(yīng)輸電線路高電壓、大荷載、多回路的需要，輸電鐵塔應(yīng)提高材料強度級別和質(zhì)量級別，優(yōu)化和改進桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高材料規(guī)格。

1 輸電鐵塔技術(shù)發(fā)展及技術(shù)經(jīng)濟性分析

1.1 Q420、Q460高強度等級的鋼材

相對于Q235和Q345等級角鋼，采用Q420和Q460高強度等級角鋼，在構(gòu)件長細比80以下可有效提高構(gòu)件承載力。而鐵塔主材長細比以強度控制為主，長細比在40左右，高強度鋼材的性能發(fā)揮較充分，優(yōu)勢明顯［1］。 在輸電鐵塔上應(yīng)用 Q420、Q460高強鋼，與應(yīng)用Q235鋼和Q345鋼相比，在滿足桿塔大型化、大荷載要求的情況下，可有效降低塔重。在相同荷載情況下，采用Q420鋼可比采用Q345鋼降低塔重6%～8%，采用Q460鋼可比Q345鋼降低塔重8%～12%。

以750 kV官亭—蘭州輸電線路等8個試點工程為依托，國家電網(wǎng)公司協(xié)調(diào)組織了高強鋼的集中采購供應(yīng)和高強鋼鐵塔加工的監(jiān)造工作等。以晉東南—南陽—荊門1 000 kV特高壓交流輸電工程全線采用Q420高強鋼為標志，高強鋼進入了全面推廣應(yīng)用階段。在輸電線路中推廣應(yīng)用Q420、Q460高強度鋼材是國家電網(wǎng)公司推動基建技術(shù)創(chuàng)新、實施產(chǎn)業(yè)升級的重要舉措，是提高輸電線路科技水平，降低工程造價的重大突破。

推廣應(yīng)用高強鋼能夠縮短我國與發(fā)達國家在輸電線路塔材級別上的差距，有效降低鋼材用量，促進鋼鐵行業(yè)的技術(shù)進步，節(jié)省線路建設(shè)投資，具有顯著的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

1.2 鋼管塔

與角鋼塔相比，鋼管塔具有構(gòu)件風壓小、剛度大、結(jié)構(gòu)簡潔、傳力清晰等優(yōu)點。采用鋼管作為主要受力構(gòu)件，與角鋼塔相比，單基塔重可減輕15%～20%甚至更多，節(jié)省基礎(chǔ)砼量20%左右。若將高強鋼應(yīng)用到鋼管塔中，效益更加明顯，與Q345鋼管相比，采用Q420高強鋼管直線塔塔重減少4%～7%、轉(zhuǎn)角塔塔重減少8%～12%；與Q345鋼管相比，采用Q460高強鋼管直線塔塔重減少6%～9%，轉(zhuǎn)角塔塔重減少10%～15%［2］。

相對角鋼塔，生產(chǎn)加工鋼管塔，焊接量大，自動化程度低，生產(chǎn)周期長，采購單價較高，且鋼管塔單件重量較大，山區(qū)運輸困難，需要有專用的運輸和施工裝備。因此，鋼管塔的應(yīng)用需要進行綜合技術(shù)經(jīng)濟性比較，合適時可在大荷載桿塔中應(yīng)用。

20世紀80年代，國際上許多國家在開發(fā)特高壓輸電線路時，開始將鋼管型材應(yīng)用到了鐵塔結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了以鋼管為塔體主材的鋼管塔。在日本，1 000 kV的超高壓線路及高塔中幾乎全部使用了鋼管塔。

國內(nèi)在500 kV雙回路鐵塔和同塔四回鐵塔中也已使用鋼管型材，體現(xiàn)出了其良好性能和效益。其優(yōu)點表現(xiàn)在：一是可以減小塔身風壓（構(gòu)件體形系數(shù)，圓管比角鋼幾乎小一倍）；二是在截面面積相等的情況下，圓管的回轉(zhuǎn)半徑比角鋼大20%左右；三是提高了結(jié)構(gòu)承載能力，一般來講，鋼管塔比角鋼塔的鋼材用量降低10%～20%；同時還可減少桿件數(shù)量，縮短建塔周期，易于結(jié)構(gòu)多樣化。

鋼管的使用也存在鋼管型材規(guī)格品種有限、質(zhì)量參差不齊、價格高等缺點，同時鋼管間連接的節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，加工生產(chǎn)效率低。

1.3 普通規(guī)格角鋼組合、大規(guī)格角鋼及其組合

在大規(guī)格角鋼大量應(yīng)用前，角鋼塔采用的均為肢寬為200 mm及以下的普通規(guī)格角鋼，要提高角鋼塔主材承載力，尋求較大回轉(zhuǎn)半徑的桿件，唯一的辦法是采用十字雙拼角鋼組合構(gòu)件（主要是十字雙拼組合和十字四拼組合），以增大截面積，以減少主材節(jié)間的長細比來提高其整體穩(wěn)定系數(shù)，增加桿件承載力。 相對單肢普通規(guī)格角鋼，十字雙拼角鋼組合構(gòu)件回轉(zhuǎn)半徑增大，可提高主材承載力，但角鋼間受力分配不均勻，角鋼構(gòu)件的制孔、焊接等加工質(zhì)量和施工質(zhì)量等是鐵塔安全的主要控制因素。

由于大規(guī)格角鋼的應(yīng)用量不大，材料市場供應(yīng)少，材料的供應(yīng)一直是瓶頸問題。2009年以來，在特高壓直流工程上，國家電網(wǎng)公司積極應(yīng)用大規(guī)格角鋼，促進了大規(guī)格角鋼的生產(chǎn)工藝和加工技術(shù)的大幅度提升。自錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流輸電線路工程試點應(yīng)用以來，高強度大規(guī)格角鋼先后在哈密南—鄭州和溪洛渡—浙西等直流工程中大量應(yīng)用。由于大規(guī)格高強度角鋼肢寬和肢厚均較大，截面面積比常規(guī)輸電鐵塔用最大規(guī)格角鋼L200×24大得多，可大幅提高單構(gòu)件承截力，實現(xiàn)單根大規(guī)格角鋼替代組合角鋼，或者十字雙拼大規(guī)格角鋼替代四組合角鋼。 雙拼和四拼角鋼由于構(gòu)造的原因，角鋼間受力分配不均勻，鐵塔的加工量成倍增加，螺栓的通過厚度和通過層數(shù)增加，給輸電線路鐵塔的施工帶來很大難度。主材采用單肢高強度大規(guī)格角鋼替代十字雙拼普通規(guī)格角鋼組合可避免上述不足，采用十字雙拼大規(guī)格角鋼組合替代十字四拼普通規(guī)格角鋼組合可減低上述難度。

相對鋼管塔，組合角鋼塔焊接量少，單構(gòu)件重量輕，適用于山區(qū)中的運輸和安裝。相比普通規(guī)格組合角鋼塔，采用大規(guī)格角鋼可降低塔重3%左右［3］，有利于節(jié)能減排，提升國內(nèi)加工制造業(yè)技術(shù)水平和競爭能力。

2 鐵塔關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鋼管塔新型構(gòu)造

帶頸鍛造法蘭（對焊法蘭）。鋼管塔主材的連接方式主要是法蘭連接，國內(nèi)輸電線路鋼管塔主要采用有加勁法蘭和無加勁法蘭，帶頸鍛造法蘭尚未應(yīng)用［4］。帶頸法蘭為一體鍛造而成，且鍛壓工藝使金屬組織更加緊密，提高了材料力學(xué)性能，與有加勁法蘭相比，焊縫少、加工效率高且容易保證產(chǎn)品質(zhì)量；與無加勁法蘭相比則具有較高的強度和剛度。正由于帶頸鍛造法蘭的上述優(yōu)點，1 000 kV淮南—上海（皖電東送）輸電工程鋼管塔首次采用了帶頸鍛造法蘭連接主材。

國內(nèi)的帶頸法蘭主要有平焊和對焊兩種型式［5］，如圖1所示。平焊法蘭與鋼管的連接方式是鋼管插入到法蘭頸內(nèi)，容易在鋼管外壁與法蘭頸內(nèi)壁之間產(chǎn)生一定的間隙，如果角焊縫存在沙眼、夾渣等缺陷，法蘭酸洗時酸洗液體會從缺陷處進入平焊法蘭頸內(nèi)壁和鋼管外壁之間的間隙，隨后在鍍鋅池中鍍鋅時，高溫會使間隙中的液體轉(zhuǎn)為氣體并迅速膨脹，導(dǎo)致間隙內(nèi)壓迅速加大而脹裂焊縫，嚴重時甚至產(chǎn)生爆管。特高壓工程推薦采用帶頸鍛造法蘭中的對焊法蘭，該法蘭節(jié)點只有一條環(huán)向焊縫，焊接工作量相對較少。但對焊接的工藝、設(shè)備和焊接人員的技術(shù)要求均較高。該焊縫質(zhì)量要求不低于二級焊縫，易檢測，焊接質(zhì)量容易得到保證。

圖1 帶頸法蘭焊接

插板型式。構(gòu)件連接的插板型式有U型、I型、C（槽）型、T型和X（十字）型插板等型式，5種插板應(yīng)根據(jù)桿塔構(gòu)件的位置，受力特性、受力大小和構(gòu)造要求進行布置，布置在不同的部位，可有效解決結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和加工制造、施工安裝中的矛盾。插板型式不同對桿件承載力是有一定影響的，不同型式的插板承載力有較明顯的差別。1 000 kV淮南—上海（皖電東送）輸變電工程，摒棄了相貫焊接，見圖2（a）。主—斜連接、斜—斜連接、主、斜—輔連接均采用了插板型式，見圖 2（b）。

圖2 主斜材連接

2.2 十字形普通規(guī)格角鋼組合

在較大荷載桿塔中，單肢普通規(guī)格角鋼難以滿足承載力要求，為使角鋼斷面有較大的回轉(zhuǎn)半徑，需采用雙角鋼十字形組合構(gòu)件。組合角鋼鐵塔中常規(guī)的主斜材連接方法是斜材都連到角鋼組合主材靠塔里側(cè)的一肢上，見圖3（a），最近設(shè)計人員采用將斜材分別連到主材雙肢上，見圖3（b）的新型連接方法。從兩種方式的構(gòu)造上分析，新型連接方式的受力更合理一些。填板主要有一字形填板、十字分離式填板和十字形焊接填板三種布置方式（圖4）。3種填板型式中十字形焊接填板對主材承載性能幫助最大，但其對加工和安裝要求較高［6］。

圖3 十字雙拼角鋼組合型式

圖4 填板布置方式

2.3 大規(guī)格角鋼截面特性

雙拼普通規(guī)格角鋼組合2L160×10至2L200×24的截面面積范圍為63.0～181.3 cm2，最小回轉(zhuǎn)半徑的范圍為6.27～7.64 cm；大規(guī)格角鋼L220×16至L250×35的截面面積范圍為68.7～163.4 cm2，最小回轉(zhuǎn)半徑的范圍為4.37～4.86 cm［7］。高強度大規(guī)格角鋼肢寬和肢厚均較大，截面面積比普通規(guī)格角鋼中最大截面的L200×24大得多，單構(gòu)件承截力大幅提高。雙拼普通規(guī)格角鋼組合可由單肢大規(guī)格角鋼替代。

四拼普通規(guī)格角鋼組合4L160×10至4L200×24的截面面積范圍為126.0～362.6 cm2，最小回轉(zhuǎn)半徑的范圍為6.57～8.43 cm。雙拼大規(guī)格角鋼組合2L220×16至 2L250×35的截面面積范圍為 137.3～326.8 cm2，最小回轉(zhuǎn)半徑的范圍為8.59～9.46 cm。 四拼普通規(guī)格角鋼組合均可由雙拼大規(guī)格角鋼組合替代，承截能力和結(jié)構(gòu)構(gòu)造具有優(yōu)勢，應(yīng)用性強。

相對普通規(guī)格角鋼，大規(guī)格角鋼在肢寬和肢厚上均增大，其構(gòu)件的設(shè)計計算可以參考普通規(guī)格角鋼計算方法，與普通規(guī)格雙拼或四拼角鋼構(gòu)件相比，大規(guī)格角鋼具有更好的受力整體性和均勻性，結(jié)構(gòu)受力后產(chǎn)生的桿端彎矩較小，其受力比角鋼組合更接近二力桿，大規(guī)格角鋼輸電鐵塔與普通角鋼塔在計算理論上不存在本質(zhì)區(qū)別，在構(gòu)造上也可沿用普通規(guī)格角鋼的構(gòu)造設(shè)計方法。

3 鐵塔新技術(shù)發(fā)展方向

3.1 Q460鋼材的應(yīng)用

目前，Q460鋼材還沒有推廣應(yīng)用的趨勢。Q420熱軋角鋼在同塔多回、特高壓交直流等荷載較大的鐵塔中已經(jīng)全面應(yīng)用，Q460熱軋角鋼得到試點應(yīng)用。Q420、Q460鋼管塔處于研究及試點應(yīng)用階段，主要應(yīng)用于750kV酒泉—安西雙回線路（Q420）、500kV練塘—泗涇（Q460）、500 kV 揚州西送出（Q460）等?？紤]到高強鋼焊接和市場供應(yīng)問題，Q460角鋼完全可以用于少焊接和非低溫地區(qū)的角鋼塔。

3.2 L300大規(guī)格角鋼的應(yīng)用

采用單肢大規(guī)格角鋼，可避免雙拼和多拼角鋼間受力分配不均勻，降低輸電線路加工量和施工難度。對于單肢L250大規(guī)格角鋼滿足不了鐵塔承載要求的情況，可以采用單肢L300大規(guī)格角鋼。

4 結(jié)語

為提高輸電鐵塔承載能力，進一步降低工程造價，應(yīng)逐漸采用高強度鋼材鐵塔。 一是提高材料強度級別和質(zhì)量級別，如推廣應(yīng)用Q420、Q460高強度等級的鋼材等；二是優(yōu)化和改進桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，如推廣應(yīng)用鋼管塔的帶頸法蘭和插板等連接形式；三是提高材料規(guī)格，如在角鋼塔中使用普通規(guī)格角鋼組合、大規(guī)格角鋼及其組合。具體選用哪種方式，需根據(jù)輸電線路工程的具體情況，通過綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，進行設(shè)計。下一步應(yīng)繼續(xù)開展Q460鋼材和高強度L300大規(guī)格角鋼的研究和應(yīng)用，以進一步提高線路建設(shè)的技術(shù)經(jīng)濟性。

［1］ 邢海軍，李茂華，楊靖波，等.大寬厚比Q420角鋼軸壓構(gòu)件穩(wěn)定性能試驗研究［J］.中國電力，2010，43（10）：23-26.

［2］ 孫竹森，程永鋒，張強，等.輸電線路鋼管塔推廣應(yīng)用研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（6）：186-192.

［3］ 陳大斌，齊立忠，李晉，等.十二五期間電網(wǎng)工程大規(guī)格角鋼推廣應(yīng)用數(shù)量及其經(jīng)濟性預(yù)測分析［J］.電力建設(shè)，2012，33（2）：79-83.

［4］ 陳海波，邢海軍，李振福.750 kV輸變電鋼管塔架結(jié)構(gòu)承載力及構(gòu)造的試驗研究［J］.中國電力，2005，33（19）：17-20.

［5］ 吳靜，張大長，楊靖波，等.特高壓輸電鋼管塔應(yīng)用高頸鍛造法蘭的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31（1）：153-158.

［6］ 李振寶，石鹿言，邢海軍，等.Q420雙角鋼十字組合截面壓桿承載力試驗［J］.電力建設(shè)，2009，30（9）：8-9.

［7］ 黃璜，李清華，孟憲喬，等.Q420大規(guī)格角鋼在±800 kV特高壓桿塔中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2010，31（6）：65-69.