特高壓輸電線路鋼管塔主材次應(yīng)力研究

摘要：在 1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）真型試驗(yàn)中，對(duì)鋼管塔的主材次應(yīng)力值及分布進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。通過對(duì)4基特高壓鐵塔有限元數(shù)值分析方法，得出了主材次應(yīng)力的分布規(guī)律及影響因素；并將計(jì)算結(jié)果與SZ2U塔實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較；對(duì)5組縮尺比例的塔腿模型進(jìn)行了靜力加載，進(jìn)一步驗(yàn)證了主材次應(yīng)力影響因素。對(duì)SZ2U塔腳節(jié)點(diǎn)建立了精細(xì)化有限元模型，考察了次彎矩作用下節(jié)點(diǎn)的受力性能和破壞模式；對(duì)按1000kV特高壓真型塔SZ2U和SZ272P結(jié)構(gòu)圖加工的兩組足尺塔腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了破壞試驗(yàn)，研究在次應(yīng)力影響下不同鋼材等級(jí)鋼管塔塔腳結(jié)點(diǎn)的受力性能和破壞模式。結(jié)果表明：實(shí)測(cè)SZ2U塔次應(yīng)力影響最大的位置在塔腳主材處，最大次應(yīng)力比值達(dá)到45%，采用考慮節(jié)點(diǎn)板剛度的計(jì)算模型與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。主材的次應(yīng)力不僅與主材長(zhǎng)細(xì)比有關(guān)，還與塔腿主材和斜材的夾角，塔腿分格數(shù)，及塔身斜材的布置方式有關(guān)。塔腳節(jié)點(diǎn)在次彎矩作用下的破壞模式為主管受壓一側(cè)環(huán)形加強(qiáng)板上部管壁屈曲破壞。高強(qiáng)鋼較普通Q345有更好的塑性發(fā)展能力，在參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)截面徑厚比進(jìn)行限制時(shí)，對(duì)主材采用Q460鋼材，可適當(dāng)放寬對(duì)截面徑厚比的限制。

關(guān)鍵詞：特高壓；鋼管塔；真型試驗(yàn)；次應(yīng)力；次彎矩；長(zhǎng)細(xì)比；徑厚比；塔腳節(jié)點(diǎn)

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)迅速發(fā)展，特別是1000kV特高壓輸電線路的建設(shè)，使輸電線路鐵塔向大型化發(fā)展。鋼管構(gòu)件具有承載能力大，風(fēng)荷載體型系數(shù)小，傳力清晰等優(yōu)點(diǎn)，因而被逐步推廣應(yīng)用，目前在建的1000kV皖電東送淮南至上海特高壓工程全線采用鋼管塔[1～2]。

輸電線路塔設(shè)計(jì)中，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)軟件一般采用整體空間桁架法進(jìn)行計(jì)算，桿件內(nèi)力按只有軸向力進(jìn)行設(shè)計(jì)。而實(shí)際的輸電鋼管塔節(jié)點(diǎn)多采用插板或法蘭連接，并不是理想的鉸接，尤其是鋼管塔，由于其抗彎剛度大，受到荷載作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)處將產(chǎn)生較大的彎矩。這樣就會(huì)使鋼管塔的設(shè)計(jì)偏于不安全。因此，全面的考察次應(yīng)力對(duì)輸電鋼管塔的影響，提出考慮次應(yīng)力影響的鋼管塔的設(shè)計(jì)方法，意義重大。

國內(nèi)外對(duì)于特高壓輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力問題進(jìn)行了一些研究：韓軍科等[3]通過對(duì)六基特高壓輸電鋼管塔的分析指出：特高壓輸電鋼管塔桿端彎矩的大小與主材長(zhǎng)細(xì)比密切相關(guān)，當(dāng)鋼管主材長(zhǎng)細(xì)比小于34時(shí)，彎矩使主材產(chǎn)生的次應(yīng)力比值達(dá)到28%～34%，并給出了次應(yīng)力與長(zhǎng)細(xì)比擬合的關(guān)系曲線。該文中提到的長(zhǎng)細(xì)比34是根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第10.1.4規(guī)定截面高度（或直徑）與節(jié)間長(zhǎng)度或桿件長(zhǎng)度之比大于1/12（主管）和1/24（支管）時(shí)，應(yīng)計(jì)算由節(jié)點(diǎn)剛性引起的次應(yīng)力這一規(guī)定得到的。李茂華等[5]結(jié)合特高壓雙回路鋼管塔（SZT2G）真型塔試驗(yàn)[6]進(jìn)行分析指出：特高壓輸電鋼管塔的塔身主材最大次應(yīng)力已達(dá)到30%，次應(yīng)力的影響隨桿件長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小。但是SZT2真型塔試驗(yàn)并沒有實(shí)測(cè)桿端的次應(yīng)力值，其主材的桿端次應(yīng)力值是按照理想的梁桿單元有限元模型計(jì)算得出。以往對(duì)主材次應(yīng)力的研究?jī)H基于有限元計(jì)算，在真型塔試驗(yàn)中，沒有塔身主材實(shí)測(cè)次應(yīng)力值的報(bào)導(dǎo)。同時(shí)，目前已開展的對(duì)輸電塔主材節(jié)點(diǎn)的研究中沒有研究過節(jié)點(diǎn)在次彎矩作用下的應(yīng)力發(fā)展、極限承載力和破壞模式等問題。

2010年1月，在國家電網(wǎng)公司霸州特高壓桿塔試驗(yàn)基地對(duì)我地區(qū)設(shè)計(jì)的1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）進(jìn)行了真型試驗(yàn)。該試驗(yàn)在檢驗(yàn)Q460高強(qiáng)鋼鋼管塔在各種主要荷載工況下受力桿件理論計(jì)算值和實(shí)際受力值的符合性，驗(yàn)證塔型設(shè)計(jì)方案的合理性以及塔型結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和連接法蘭的安全可靠性的同時(shí)，在主材桿端和桿中布點(diǎn)，實(shí)測(cè)了主材的桿端的次應(yīng)力值，為特高壓輸電鋼管塔的次應(yīng)力研究提供試驗(yàn)依據(jù)[7]。

本文以SZ2U真型塔試驗(yàn)為工程背景，首先對(duì)SZ2U及皖電東送淮南到上海工程中幾基我院設(shè)計(jì)的1000kV特高壓輸電鋼管塔進(jìn)行有限元分析，研究了主材長(zhǎng)細(xì)、塔腿主材與斜材的夾角，主材徑厚比、塔身斜材的布置方式等參數(shù)對(duì)主材次應(yīng)力的影響；在以上分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)SZ2U的塔腿縮尺模型的試驗(yàn)，對(duì)以上影響因素進(jìn)行驗(yàn)證。其次，對(duì)SZ2U塔腳次應(yīng)力發(fā)展進(jìn)行有限元分析，與真型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了次彎矩作用下的應(yīng)力分布，塑性發(fā)展和破壞模式；進(jìn)一步通過SZ2U、SZ272P塔腳的足尺節(jié)點(diǎn)真型試驗(yàn)，考察了塔腳節(jié)點(diǎn)在次應(yīng)力影響下不同鋼材等級(jí)鋼管的塑性發(fā)展能力和破壞模式。本文通過理論計(jì)算和試驗(yàn)分析的對(duì)比，提出了供工程設(shè)計(jì)參考的結(jié)論。

1 SZ2U真型塔試驗(yàn)簡(jiǎn)介及結(jié)論

2010年1月16日-19日，在國家電網(wǎng)公司霸州特高壓桿塔試驗(yàn)基地對(duì)我地區(qū)設(shè)計(jì)使用Q460高強(qiáng)度鋼材的1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）進(jìn)行了真型試驗(yàn)，鐵塔塔身構(gòu)件全部采用鋼管，其中塔身主材及部分斜材為Q460。試驗(yàn)共進(jìn)行了8個(gè)工況的荷載測(cè)試，其中60°大風(fēng)工況通過了130%的荷載試驗(yàn)[7]。試驗(yàn)在測(cè)試了Q460鋼管塔特性的同時(shí)，對(duì)塔身主材桿中及桿端應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，主要結(jié)論如下：

1）在設(shè)計(jì)工況下，塔腳和塔身變坡處的次應(yīng)力值顯著。其次應(yīng)力比（即彎曲應(yīng)力占軸力應(yīng)力的百分比），在塔腳和塔身變坡處分別達(dá)到45.6%和26.2%。試驗(yàn)得出的塔身在60°大風(fēng)工況100%設(shè)計(jì)荷載時(shí)最大應(yīng)力位置為最大受壓腿主材的塔腳處內(nèi)側(cè)45度方向，最大應(yīng)力值為-451N/mm2。

2）60°大風(fēng)工況在加載到95%時(shí)，塔腳處靠近塔中心45°方向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；加載到105%，該應(yīng)變測(cè)點(diǎn)超過屈服強(qiáng)度；隨著荷載的進(jìn)一步提高，同一截面高度越來越多的測(cè)點(diǎn)達(dá)到屈服，當(dāng)加載到130%，大部分測(cè)點(diǎn)達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度。

3）雖然主材的長(zhǎng)細(xì)比均大于34，符合《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中第10.1.4條的規(guī)定[4]，但實(shí)測(cè)得到的部分測(cè)點(diǎn)的次應(yīng)力比仍大于規(guī)范條文說明中認(rèn)為的可以不考慮次應(yīng)力效應(yīng)的次應(yīng)力比例20%[8]。因此可以認(rèn)為長(zhǎng)細(xì)比并不是影響輸電塔主材次應(yīng)力的唯一因素。

4）SZ2U試驗(yàn)塔的塔腿主材長(zhǎng)細(xì)比為41，塔腿主材和斜材的夾角為32°，有限元分析得到塔腳處次應(yīng)力比為31%，真型試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的塔腳次應(yīng)力比為45.6%，兩者相差較大。分析原因是由于按理想的梁?jiǎn)卧⒌挠邢拊?jì)算模型沒有考慮到節(jié)點(diǎn)板剛度的影響，尤其是在塔腳處等節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜的地方。進(jìn)一步通過節(jié)點(diǎn)板等效剛度的方法，將各個(gè)桿件端部在節(jié)點(diǎn)板范圍內(nèi)取為具有較大剛度的桿端，建立有限元模型進(jìn)行分析?？紤]節(jié)點(diǎn)板影響的有限元計(jì)算模型計(jì)算得到的塔腳次應(yīng)力比為37.4%，更接近實(shí)測(cè)值。

2 結(jié)論

（1）對(duì)于特高壓輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)，塔身變坡處以及塔腳處主材的次應(yīng)力效應(yīng)顯著，主材的最大次應(yīng)力值出現(xiàn)在60°最大風(fēng)工況的壓腿塔腳處主材的內(nèi)側(cè)。

（2）在有限元分析次應(yīng)力對(duì)特高壓輸電塔結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)板剛度的影響較大，應(yīng)建立考慮節(jié)點(diǎn)板剛度的梁桿單元有限元模型進(jìn)行分析。

（3）鋼管塔塔腳部分次應(yīng)力受主材和斜材夾角的影響最為顯著。次應(yīng)力影響程度隨主材和斜材夾角的增大而減小，隨主材長(zhǎng)細(xì)比的增大而減小，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建議使塔腿主材和斜材的夾角值大于30度，主材的長(zhǎng)細(xì)比大于34，作為特高壓輸電塔設(shè)計(jì)優(yōu)化的條件。同時(shí)，避免采用塔腿主材三分格布置形式，塔腿上部橫隔面處的斜材優(yōu)先采用K材的布置形式。

（4）有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：塔腳節(jié)點(diǎn)的是破壞模式為主管受壓一側(cè)環(huán)形加強(qiáng)板上部管壁屈曲破壞。

（5）截面徑厚比的大小對(duì)截面的次應(yīng)力大小的影響不大。但是，限制徑厚比D/t，可以防止鋼管局部屈曲。試驗(yàn)表明，高強(qiáng)鋼較普通Q345有更好的塑性發(fā)展能力，在參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)截面徑厚比進(jìn)行限制時(shí)，對(duì)主材采用Q460鋼材，可適當(dāng)放寬對(duì)截面徑厚比的限制值。

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