輸電桿塔典型對(duì)接焊接接頭設(shè)計(jì)分析

黎興文 劉志全

（廣東安恒鐵塔鋼構(gòu)有限公司，廣東 佛山528000）

0 引言

近年來(lái)，輸電線(xiàn)路桿塔越來(lái)越多地采用鋼管塔和鋼管桿，因?yàn)闂U塔外負(fù)荷的增大，角鋼塔也更多采用雙拼和四拼角鋼主材，因此，焊接連接節(jié)點(diǎn)在桿塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多。不少設(shè)計(jì)人員對(duì)焊縫的設(shè)計(jì)存在一些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，在工程設(shè)計(jì)中盲目作出決定，從而對(duì)工程成本與質(zhì)量造成了不良影響。為此，本文對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)中所使用的典型對(duì)接焊接接頭進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，幫助相關(guān)技術(shù)人員正確認(rèn)識(shí)和理解，從而使其在工程建設(shè)實(shí)踐中正確使用，保證質(zhì)量、節(jié)約成本。

1 接頭類(lèi)型和焊縫形式

日常工作中，經(jīng)?？梢钥吹揭恍┰O(shè)計(jì)人員盲目地將桿塔結(jié)構(gòu)中的焊縫質(zhì)量等級(jí)定為一級(jí)、二級(jí)，而不去考慮焊接節(jié)點(diǎn)中的接頭類(lèi)型和采用的焊縫形式，另外，很多人員對(duì)接頭類(lèi)型和焊縫形式的概念也不清楚。

輸電桿塔結(jié)構(gòu)的焊接連接中使用較多的接頭類(lèi)型為對(duì)接接頭、T形接頭、十字接頭、搭接接頭，另外也少量使用到角接接頭，這些接頭類(lèi)型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 接頭類(lèi)型

《焊接術(shù)語(yǔ)》［1］把對(duì)接接頭定義為“兩件表面構(gòu)成大于或等于135°，小于或等于180°夾角的接頭”。

焊縫的基本形式為對(duì)接焊縫和角焊縫，文獻(xiàn)［1］把對(duì)接焊縫定義為“在焊件的坡口面或一零件的坡口面與另一零件表面間焊接的焊縫”，而角焊縫則為“沿兩直交或近直交零件的交線(xiàn)所焊接的焊縫”。

桿塔結(jié)構(gòu)中的焊縫形式主要有對(duì)接焊縫、角焊縫、對(duì)接與角接組合焊縫3種，如圖2所示。在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，焊縫的強(qiáng)度計(jì)算分為對(duì)接焊縫和角焊縫2種，對(duì)接與角接組合焊縫則根據(jù)其是否焊透而有不同的計(jì)算方式，全焊透的作為對(duì)接焊縫對(duì)待，部分焊透的則看作角焊縫。

圖2 桿塔結(jié)構(gòu)常用焊縫形式

值得注意的是，并非對(duì)接接頭就只能采用對(duì)接焊縫連接，也并非只有角接接頭才用角焊縫連接，雖然接頭類(lèi)型不同，但接頭的焊縫形式是可以相同的。

對(duì)接接頭的焊縫形式一般有以下3種，如圖3所示，如接頭兩構(gòu)件厚度相同則采用對(duì)接焊縫，接頭兩構(gòu)件厚度不同則可用角焊縫或?qū)优c角接組合焊縫連接。

圖3 對(duì)接接頭焊縫形式

2 典型對(duì)接接頭焊縫設(shè)計(jì)分析

桿塔結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的屬于對(duì)接接頭的焊接節(jié)點(diǎn)有鋼管的環(huán)向?qū)?、帶頸法蘭與鋼管的環(huán)向?qū)?、角鋼的橫向?qū)樱ê缚p方向與角鋼軸向垂直）、由鋼板或鋼帶制作成鋼管時(shí)的縱向?qū)踊蚵菪p對(duì)接、角鋼與鋼板對(duì)接、鋼板與鋼板對(duì)接等，節(jié)點(diǎn)示例如圖4所示。

圖4 桿塔結(jié)構(gòu)典型對(duì)接接頭

下面對(duì)桿塔中這些典型的對(duì)接焊接接頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2．1 鋼管的環(huán)向?qū)?/h3>

一般情況下，主要承受軸力的桁架結(jié)構(gòu)中的鋼管、型鋼構(gòu)件或主要承受彎矩的鋼管桿均應(yīng)盡可能避免采用與軸向垂直的橫向?qū)雍附?，盡管設(shè)計(jì)規(guī)范允許環(huán)向?qū)?。但鋼管塔變坡?jié)點(diǎn)的環(huán)向?qū)?、帶頸法蘭與鋼管的環(huán)向?qū)映?，這些連接中，焊縫兩邊構(gòu)件厚度基本相同，焊縫的受力方向與焊縫的長(zhǎng)度方向垂直（或接近垂直），鋼管的受力完全通過(guò)焊縫來(lái)傳遞，雖然鋼管在實(shí)際結(jié)構(gòu)中要進(jìn)行受壓穩(wěn)定計(jì)算（鋼管軸壓穩(wěn)定系數(shù)一般小于0．9［3］）而使鋼管的實(shí)際承載力比最大承載力有所減小，但從安全角度考慮，此類(lèi)焊縫的承載能力不應(yīng)低于鋼管的承載能力。因此，其須作為全焊透的等強(qiáng)對(duì)接焊縫，質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，且鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)會(huì)另外增加一些加勁板以提高結(jié)構(gòu)安全性。

《架空輸電線(xiàn)路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［4］規(guī)定“鋼管的環(huán)向?qū)雍笐?yīng)為全焊透的等強(qiáng)度對(duì)接焊，其質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)”。《輸變電鋼管結(jié)構(gòu)制造技術(shù)條件》［5］則規(guī)定環(huán)向?qū)雍缚p為一級(jí)焊縫。由此可知，制造標(biāo)準(zhǔn)比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求更高。

2．2 角鋼的橫向?qū)?/h3>

角鋼拼接可以提高材料利用率，節(jié)約鋼材，減少資源浪費(fèi)，從理論上說(shuō)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。但現(xiàn)實(shí)中，角鋼拼接不但沒(méi)有得到推廣，而且恰好相反，一直應(yīng)用極少，其主要受以下因素的限制：（1）大家一直以來(lái)對(duì)焊縫的可靠性存在過(guò)度的擔(dān)憂(yōu)和顧慮，即使焊縫經(jīng)過(guò)內(nèi)外部檢測(cè)證實(shí)質(zhì)量滿(mǎn)足要求；（2）對(duì)角鋼進(jìn)行拼接雖然可以很好地節(jié)約鋼材，減少浪費(fèi)，但這樣的方式反而落得以次充好、偷工減料的嫌疑，使各方都有所顧忌而不敢應(yīng)用；（3）除了可靠性方面的擔(dān)憂(yōu)外，角鋼拼接可能會(huì)影響美觀。

1990版《架空送電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［6］規(guī)定“單角鋼的拼接，如能保證連接焊縫強(qiáng)度與鋼材強(qiáng)度相等時(shí)可僅采用對(duì)接焊縫進(jìn)行拼接”。但2002版《架空送電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［7］及《架空輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［8］對(duì)角鋼的拼接則沒(méi)有了相應(yīng)的條文規(guī)定。彎曲角度較大的角鋼如圖5所示，角鋼拉伸區(qū)域的邊厚度會(huì)大幅減少，從而嚴(yán)重削弱角鋼的承載能力，這種情況下，角鋼通常采用割豁再用相同材料填板進(jìn)行橫向焊接的方式處理。這種節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于鐵塔結(jié)構(gòu)的變坡節(jié)點(diǎn)處。該連接與鋼管環(huán)向?qū)酉嗤缚p兩邊構(gòu)件厚度相同，焊縫的受力方向與焊縫的長(zhǎng)度方向垂直（或接近垂直），桿件的受力完全通過(guò)焊縫來(lái)傳遞，因此須作為全焊透的等強(qiáng)對(duì)接焊縫，質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)。

圖5 彎曲角鋼

《輸電線(xiàn)路鐵塔制造技術(shù)條件》［9］對(duì)上述焊縫同樣規(guī)定為質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)。

2．3 焊接鋼管制管時(shí)的縱向?qū)?/h3>

根據(jù)對(duì)接接頭的定義，圓截面直縫或螺旋縫鋼管和邊數(shù)為8及以上的多邊形截面直縫鋼管屬于對(duì)接接頭。對(duì)于鋼管桿常用的套接（插接）連接的外套管的縱向?qū)雍缚p，如圖6所示，因外套接頭處的焊縫受力較大，出于偏安全角度考慮，《架空送電線(xiàn)路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［10］規(guī)定1．5倍多邊形外套管內(nèi)對(duì)邊尺寸加200mm范圍內(nèi)的縱向焊縫必須100%焊透并施行100%超聲波檢查或100%磁粉探傷，但沒(méi)規(guī)定焊縫最終質(zhì)量等級(jí)。

圖6 套接鋼管桿

按照上述設(shè)計(jì)規(guī)范，要求焊縫為100%焊透但沒(méi)規(guī)定焊縫質(zhì)量等級(jí)，這樣的焊縫質(zhì)量等級(jí)依然為三級(jí)，而全焊透三級(jí)焊縫的強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的85%，因?yàn)殡m然此焊縫的受力較大，但還沒(méi)達(dá)到與母材等強(qiáng)的要求。而文獻(xiàn)［5］、［11］則對(duì)此焊縫均規(guī)定為全焊透一級(jí)焊縫。由此可知，制造標(biāo)準(zhǔn)比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求高。

對(duì)于非套接連接的鋼管的縱向?qū)雍缚p，焊縫的作用主要是連接鋼管成型后兩邊的板邊緣，使鋼管保持穩(wěn)定的封閉式截面，焊縫實(shí)際受力較小，不須計(jì)算強(qiáng)度，這種焊縫實(shí)際上屬于構(gòu)造焊縫（或稱(chēng)非承載焊縫、聯(lián)系焊縫），因此，此焊縫可作為不要求焊透的縱向?qū)雍缚p，質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)。文獻(xiàn)［11］、［12］規(guī)定此焊縫的焊接有效厚度不小于母材厚度的60%，此規(guī)定經(jīng)10多年的工程應(yīng)用和實(shí)際運(yùn)行已被驗(yàn)證為安全可靠的。但文獻(xiàn)［5］對(duì)此焊縫要求有所提高，要求為全焊透。螺旋縫鋼管在輸電桿塔中極少應(yīng)用，螺旋縫鋼管的焊縫其作用與非套接連接的鋼管的縱向?qū)雍缚p的作用相同，因此這種焊縫也屬于構(gòu)造焊縫。

2．4 角鋼與鋼板對(duì)接

輸電桿塔中常見(jiàn)的角鋼與鋼板對(duì)接接頭是斜材連接節(jié)點(diǎn)板與角鋼主材的連接，如圖7所示，節(jié)點(diǎn)板要同時(shí)滿(mǎn)足螺栓孔壁承壓強(qiáng)度、受拉強(qiáng)度、穩(wěn)定性的要求。

圖7 節(jié)點(diǎn)板有效寬度

如圖7所示的連接節(jié)點(diǎn)板，多數(shù)國(guó)家采用有效寬度法計(jì)算承載力，試驗(yàn)認(rèn)為斜材軸力N通過(guò)連接件在節(jié)點(diǎn)板內(nèi)按照一定的應(yīng)力擴(kuò)散角度θ（取30°）傳至連接件端部與N相垂直的一定寬度范圍，這一寬度稱(chēng)為有效寬度be［2］。節(jié)點(diǎn)板的強(qiáng)度除應(yīng)滿(mǎn)足螺栓孔壁承壓外，還應(yīng)滿(mǎn)足公式（1）：

式中，be為節(jié)點(diǎn)板的有效凈寬度，應(yīng)減去孔徑（mm）；t為節(jié)點(diǎn)板厚度（mm）；N為作用于節(jié)點(diǎn)板的力（N）；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N／mm2）。

文獻(xiàn)［2］、［4］、［8］規(guī)定節(jié)點(diǎn)板邊緣與斜材軸線(xiàn)的夾角不應(yīng)小于15°，即節(jié)點(diǎn)板要滿(mǎn)足穩(wěn)定性方面的要求。因此，節(jié)點(diǎn)板的實(shí)際寬度b、有效寬度be、滿(mǎn)足穩(wěn)定所需的板寬度三者的數(shù)值決定了節(jié)點(diǎn)板和角鋼對(duì)接焊縫的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)節(jié)點(diǎn)板滿(mǎn)足穩(wěn)定所需的板寬度是節(jié)點(diǎn)板有效寬度的1．18倍以下或節(jié)點(diǎn)板的實(shí)際寬度小于等于節(jié)點(diǎn)板的有效寬度時(shí)，節(jié)點(diǎn)板和角鋼的對(duì)接焊縫應(yīng)與母材等強(qiáng)，焊縫為全焊透，質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)板滿(mǎn)足穩(wěn)定所需的板寬度是節(jié)點(diǎn)板有效寬度的1．18倍及以上時(shí)，節(jié)點(diǎn)板與角鋼的連接焊縫可按全焊透三級(jí)焊縫考慮。

當(dāng)斜材與角鋼主材的夾角為90°時(shí)，節(jié)點(diǎn)板滿(mǎn)足穩(wěn)定所需的板寬度最小，隨著斜材與角鋼主材的夾角變小節(jié)點(diǎn)板寬度將變大。當(dāng)斜材與角鋼主材的夾角不是90°時(shí)，節(jié)點(diǎn)板與角鋼主材的焊縫相對(duì)斜材來(lái)說(shuō)是斜焊縫，文獻(xiàn)［2］、［4］、［8］均規(guī)定“當(dāng)承受軸心力的板件用斜焊縫對(duì)接，焊縫與作用力間的夾角α符合tanα≤1．5時(shí)，其強(qiáng)度可不計(jì)算”，即α≤56．3°時(shí)，焊縫可為三級(jí)焊縫。

2．5 鋼板與鋼板對(duì)接

鋼板與鋼板的對(duì)接接頭在輸電桿塔中極少應(yīng)用，但也有例外，如圖8所示的節(jié)點(diǎn)板，節(jié)點(diǎn)板由3個(gè)空間不共面的平面組成，通常需要割開(kāi)后再焊接起來(lái)。

圖8 節(jié)點(diǎn)板對(duì)接接頭

鋼板與鋼板對(duì)接的焊縫設(shè)計(jì)方法和角鋼與鋼板的對(duì)接相同。當(dāng)焊縫方向與作用力方向垂直或接近垂直時(shí)，如須與母材等強(qiáng)度，焊縫為不低于二級(jí)的全焊透焊縫；當(dāng)焊縫長(zhǎng)度與作用力間的夾角α≤56．3°時(shí)，焊縫可為三級(jí)焊縫；當(dāng)焊縫只有不到50%的長(zhǎng)度處于應(yīng)力擴(kuò)散角范圍內(nèi)時(shí)，焊縫可為三級(jí)焊縫。文獻(xiàn)［5］規(guī)定鋼板的對(duì)接焊縫為全焊透二級(jí)焊縫，文獻(xiàn)［9］規(guī)定零件經(jīng)豁口、制彎后再補(bǔ)焊的焊縫質(zhì)量等級(jí)不應(yīng)低于二級(jí)，這樣的規(guī)定都是從偏安全的角度去考慮而制定的。

3 建議

很多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖紙中對(duì)焊縫提出一些不合理的盲目要求，如規(guī)定“掛點(diǎn)關(guān)鍵部位處焊縫焊接等級(jí)為一級(jí)，其余均為二級(jí)”，建議相關(guān)設(shè)計(jì)人員和焊接技術(shù)人員認(rèn)真研讀《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《架空輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》等設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，充分準(zhǔn)確理解并正確運(yùn)用。由文中對(duì)比分析可知，桿塔相關(guān)制造規(guī)范對(duì)某些焊縫的質(zhì)量等級(jí)要求過(guò)高（比設(shè)計(jì)規(guī)范的要求更高），無(wú)形中加大了施工制造的難度，造成了更多的資源浪費(fèi)。建議更多地參考設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定來(lái)制定標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至可以適當(dāng)取消部分規(guī)定，把質(zhì)量要求制定的職責(zé)歸還于設(shè)計(jì)，驗(yàn)收時(shí)直接根據(jù)設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)輸電桿塔典型的對(duì)接焊接接頭的焊縫進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，供行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員作參考，旨在拋磚引玉，引發(fā)大家對(duì)相關(guān)焊接設(shè)計(jì)給予更多的關(guān)注和研究，在焊接的設(shè)計(jì)、加工、驗(yàn)收領(lǐng)域加以正確運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約、環(huán)境友好的目標(biāo)。

［1］GB／T3375—94 焊接術(shù)語(yǔ)［S］

［2］GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］李清華，吳靜，邢海軍，等．特高壓鋼管塔鍛造法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．中國(guó)電力，2013（6）

［4］DL／T5254—2010 架空輸電線(xiàn)路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［5］DL／T646—2012 輸變電鋼管結(jié)構(gòu)制造技術(shù)條件［S］

［6］SDGJ94—90 架空送電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［7］DL／T5154—2002 架空送電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［8］DL／T5154—2012 架空輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［9］GB／T2694—2010 輸電線(xiàn)路鐵塔制造技術(shù)條件［S］

［10］DL／T5130—2001 架空送電線(xiàn)路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［11］DL／T646—1998 輸電線(xiàn)路鋼管桿制造技術(shù)條件［S］

［12］DL／T646—2006 輸變電鋼管結(jié)構(gòu)制造技術(shù)條件［S］