Q460高強鋼雙桿鋼管桿真型試驗分析

1.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司 廣東省廣州市 510663；

2.廣東天聯(lián)電力設(shè)計有限公司 廣東廣州 510663）

摘要：對Q460高強鋼雙桿鋼管桿進行真型試驗，旨在驗證設(shè)計的合理及安全可靠，并為多桿鋼管桿的設(shè)計給出建議。首先對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行了介紹，其次給出了本試驗塔的法蘭螺栓和寬厚比所采用的計算公式，然后介紹了試驗的工況、位移和應(yīng)變測點的布置等。試驗結(jié)果表明：位移滿足規(guī)范規(guī)定的變形要求，應(yīng)變滿足構(gòu)件承載力要求，說明試驗桿的強度和剛度均滿足設(shè)計要求，并有一定的安全儲備；同時節(jié)點構(gòu)造和法蘭連接也都安全可靠。最后，建議對方形法蘭進行節(jié)點試驗和有限元分析，同時注意桿頂撓度要求。

關(guān)鍵詞：Q460高強鋼；雙桿鋼管桿；真型試驗；法蘭；寬厚比

1 引言

近年來我國電力事業(yè)高速發(fā)展，電網(wǎng)不斷升級，輸電線路向高電壓、大容量、多回路發(fā)展，致使輸電塔型越來越大，承受荷載也越來越大，對輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼材選用提出了更高要求[1]。對于城市電網(wǎng)建設(shè)，桿型主要以單桿鋼管桿為主，多用于220kV及其以下工程中，鋼材材質(zhì)以Q345為主，個別工程應(yīng)用了Q420[2]，對于Q460高強鋼雙桿鋼管桿，尚未見到研究應(yīng)用報道。

GSZ451鋼管桿是虎門濱海大道線路遷改工程中規(guī)劃的一個直線桿，采用雙桿橢圓型截面布置；桿身主材采用Q460高強鋼，橫擔(dān)和法蘭采用Q345鋼材；主桿法蘭為橢圓型，雙桿之間的連接橫梁法蘭為方形。為了檢驗Q460高強鋼鋼管桿在各種主要荷載工況下受力桿件理論計算值和實際受力值的符合性，驗證塔型設(shè)計方案的合理性以及塔型結(jié)構(gòu)、節(jié)點構(gòu)造和連接法蘭的安全可靠性，2011年7月28—29日，在中國電力科學(xué)研究院良鄉(xiāng)試驗基地，對GSZ451鋼管桿行了真型試驗。本次試驗的另外一個重點是橢圓型截面的長直邊寬厚比、橢圓型法蘭及方形法蘭的受力與變形，驗證其理論計算與構(gòu)造是否能滿足要求。

國內(nèi)外對于法蘭連接的研究和應(yīng)用較多，但大多局限于圓形法蘭連接[3]，對于方形法蘭及橢圓型法蘭的研究文獻較少。Willibald等[4-5]對方形柔性法蘭在軸力作用下受力性能進行了試驗研究，提出了減少撬力的措施。王元清[6-7]等通過試驗與有限元分析，對方形法蘭的受力進行了研究，但并未涉及螺栓的受力分析。國內(nèi)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)定[8-9]中還沒有這對橢圓型法蘭或方形法蘭的設(shè)計公式，設(shè)計人員一般都參考圓形法蘭的設(shè)計方法進行設(shè)計。

Q460高強鋼橢圓型截面的長直邊限值問題，國內(nèi)外規(guī)范[10-11]均沒有明確規(guī)定。只能參考其中對于箱形截面或矩形截面的設(shè)計公式。

本文對GSZ451鋼管雙桿的設(shè)計與試驗過程進行了介紹，對試驗結(jié)果與計算值進行對比分析，為大荷載、多回路條件下的鋼管多桿設(shè)計給出建議。

2 設(shè)計概況

2.1 設(shè)計依據(jù)和設(shè)計條件

GSZ451試驗桿主要執(zhí)行文獻[8-10]進行設(shè)計，并參考了類似工程的設(shè)計、施工和運行經(jīng)驗。該桿設(shè)計風(fēng)速為36m/s（10m高），無冰。導(dǎo)線為“4×JLR×/EST-500/50型特強鋼芯軟鋁絞線”；地線為“1根LBGJ-120鋁包鋼絞線，1根OPGW光纜”；水平檔距210m（對應(yīng)3度轉(zhuǎn)角），垂直檔距400m，代表檔距150m；設(shè)計呼高45m，全高72.6m；Q460高強鋼采用C級；計算軟件為北京道亨公司的“NSA鋼管桿設(shè)計系統(tǒng)”和自編的一些截面特性計算程序、橢圓形法蘭和方形法蘭計算程序等。

2.2 設(shè)計要點

2.2.1 設(shè)計參數(shù)

本試驗桿所用的高強鋼材和螺栓的強度設(shè)計值見下表1所示。

表1 鋼材和螺栓的強度設(shè)計值

材料厚度或直徑（mm）抗拉（MPa）抗壓/抗彎

（MPa）抗剪

（MPa）孔壁承壓

（MPa）

Q460C鋼≤16415415240590

>16～35395395230565

8.8級粗制螺栓---400---300800

2.2.2 設(shè)計要點

（1）重要性系數(shù)取1.1。

（2）法蘭螺栓計算。本試驗塔的法蘭螺栓按參考文獻[8-9]中的公式（如下）進行計算，其中旋轉(zhuǎn)軸取管中心。

式中：N—受力最大的一個螺栓的拉力；M—法蘭所受的彎矩；y1—螺栓群中和軸至最大拉力螺栓的距離；yi—每列第i個螺栓至螺栓群中和軸的距離。

（3）長直邊寬厚比限值。文獻[10]中對于箱形截面寬厚比的限值為：

文獻[11]對矩形截面寬厚比的限值為：

本試驗塔的最大寬厚比為24.9，其中桿底為22.5，均小于上述限值。

3 試驗概況

3.1 試驗工況

試驗于2011.07.28～29在中國電科院良鄉(xiāng)試驗基地進行。GSZ451-45試驗桿設(shè)計工況共67個，選取了其中8個控制工況進行試驗[12]，如下表2所示。其中工況①～⑦的加荷級別為：0-50%-80%-90%-95%-100%-50% -0；工況⑧的加荷級別為：0-50%-80%-90%- 95%-100%-105%-110%-115%-50%-0。

表2 試驗工況和目的

工況號工況名目的

1長期撓度計算檢驗桿體長期變形是否符合規(guī)范要求

2同時斷右地線和右下導(dǎo)線地線橫擔(dān)在控制工況下的承載力和變形狀況

3同時斷右上、中導(dǎo)線按照規(guī)范要求，檢驗同時斷2回導(dǎo)線時，桿體承載力和變形狀況

4起吊右下導(dǎo)線、其它導(dǎo)線均已裝（地線已裝）導(dǎo)線橫擔(dān)在控制工況下的承載力和變形狀況

5錨右下導(dǎo)線、其它導(dǎo)線均已錨檢驗常用安裝工況下，桿塔的承載力和變形狀況

690度大風(fēng)計算主桿純軸力的承載力狀況和變形狀況

70度大風(fēng)計算主桿純彎矩下承載力狀況和變形狀況

845度大風(fēng)計算主管受壓受彎的承載力狀況和變形狀況

3.2 測點布置

試驗桿的位移測點和應(yīng)變布置如下圖1所示。位移測點共14個，以1、2、3…編號；應(yīng)變測點共20個，每個測點貼應(yīng)變片3～20個不等，共計102個。試驗順利通過表2中8個工況的測試，試驗現(xiàn)場加載情況如圖2所示，其中45度的大風(fēng)超載115%。

（a）位移側(cè)點 （b）應(yīng)變測點

圖1 位移及應(yīng)變觀測點布置圖

4 試驗結(jié)果分析

4.1 位移結(jié)果分析

各個試驗工況下，主要變形點的實測位移與理論計算結(jié)果，匯總見下表3。

實測位移受到眾多因素的影響，如初始缺陷、加工誤差、安裝過程中螺栓就位、加荷鋼絲繩等因素都會引起實測位移與理論計算的不一致。具體分析如下：

圖2 鋼管桿現(xiàn)場試驗照片

表3 各工況實測位移與理論計算位移

工況號工況名加荷

級別位移

測點橫向位移（mm）縱向位移（mm）豎向位移（mm）

理論值實測值理論值實測值理論值實測值

1長期撓度計算100%263-815-3935

2同時斷右地線

和右下導(dǎo)線100%1140-16989953176123

14265295464102152

3同時斷右上、中導(dǎo)線100%1253-1010361006113133

1338-3684725100118

4起吊右下導(dǎo)線，

其它導(dǎo)線均已裝（地線已裝）100%1447640-10191381

5錨左下導(dǎo)線，其它導(dǎo)線均已錨100%10-3-2019264148256

690度大風(fēng)計算100%285815890-2602927

70度大風(fēng)計算100%2815951914419535327

845度大風(fēng)計算100%2804108737312138296171

945度大風(fēng)計算115%2934137743722708405239

（1）鋼管桿構(gòu)造簡單，桿件都是按照梁單元建模計算。因此，大部分工況下，理論值與實測值符合的都較好。

（2）雙桿2個方向的剛度較單桿都要大很多，因此長期撓度工況位移很小，很容易滿足規(guī)范5‰的撓度限值。

（3）90度大風(fēng)工況下的最大位移為橫向1589mm，卸載后殘余變形為398mm。在第二天進行0度工況試驗之前，重測殘余變形基本為0。且對0度大風(fēng)工況的橫向位移幾乎沒有影響。說明在彈性范圍內(nèi)，Q460鋼材的變形協(xié)調(diào)性能良好，試驗桿構(gòu)造和加工精度良好。

（4）實測最大位移發(fā)生在工況7：0度大風(fēng)。該方向的剛度最小，受力狀態(tài)基本等同于單桿。Y向位移4.419m，全塔撓度為6.09%，在正常比例范圍內(nèi)，該塔滿足規(guī)范剛度要求。

（5）控制工況為45度大風(fēng)，超載至115%時，其實測位移分別為橫向1.377m，縱向2.708m，豎向0.239m。與理論計算相差較大，分可能是由于0度大風(fēng)的殘余變形較大，還沒有恢復(fù)的情況下造成的。

4.2 應(yīng)變結(jié)果分析

考慮到鋼管桿自身的重力，在試驗加載前已經(jīng)引起了桿件的應(yīng)力和應(yīng)變。因此，對應(yīng)的理論分析值，也是考慮了鋼管桿的自重。各個試驗工況下，主要測點對應(yīng)的軸力、彎矩實測值與理論值的對比，匯總見下表4。

表4 各工況測點對應(yīng)的軸力、彎矩計算值與實測值對比

桿件

類型控制

工況桿件規(guī)格（長×寬×厚）測點

編號實測值計算值

最大應(yīng)力/Mpa軸力或剪力/（kN）綜合應(yīng)力/Mpa軸力或剪力/（kN）

橫擔(dān)起吊Q345?580×380×121-297.2----283.4100.5

橫梁90度大風(fēng)Q460?400×400×10482.0955.8193.0505.3

主桿 Q460?2000×1000×2018-223.9-8419.5-139.3-7761

主桿0度大風(fēng)Q460?1191.9/730.6×1610-298.7----291.3-674.9

11-347.1----338.3-122.9

Q460?2000×1000×2017-341.5596.7-340.5301.7

18-336.4-2408.7-348.7-1377.1

主桿45度大風(fēng)

（100%）Q460?1191.9/730.6×1610-280.3----358-3669.2

11-147.6----343.44290.9

Q460?1750.9/917×2015328.65613.5323.75823.5

16-324.6-3640.2-341.3-7067.1

Q460?2000×1000×2017311.04687.1381.95671.3

18-293.4-6227.8-369.8-7219.3

主桿45度大風(fēng)

（115%）Q460?1191.9/730.6×1610-322.5----417.8-4225.8

11-178.5----401.54948.2

Q460?1750.9/917×2015370.26590.6377.06712.8

16-371.0-7157.5-397.9-8141.2

Q460?2000×1000×2017337.15533.4445.96536.8

18-337.7-7334.5426.7-8316.5

應(yīng)變的測量受到氣象條件、應(yīng)變片的黏貼質(zhì)量等因素影響很大，這些都會影響了實測值與理論計算的符合性。具體分析如下：

（1）鋼管桿構(gòu)造簡單，桿件都是按照梁單元建模計算。因此，大部分工況下，理論值與實測值符合的都較好。

（2）橫擔(dān)只有1根鋼管，構(gòu)造簡單，傳力清晰。起吊時受到彎剪共同作用，實測值與計算值吻合的很好。

（3）橫梁的控制工況為90度大風(fēng)，加載至100%時，橫梁主管及其法蘭均未屈服，但其實測值與理論計算有較大的誤差。分析原因可能是實測點的具體位置與理論分析位置偏差引起的。

（4）0度大風(fēng)的受力基本等同于單桿，4個測點的實測值與理論值相差無幾，吻合的非常好。這也證明了單桿的計算理論是非常成熟的。

（5）45度大風(fēng)是超載工況。此時鋼管雙桿在橫擔(dān)方向是軸力，在順線行方向是彎矩作用。此時的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，實測的軸力與理論值基本一致，但是彎矩相差的較大，分析其原因可能是受到橫梁的影響，雙桿的受力不是簡單的疊加。超載致115%時，主管及法蘭等并無明顯的屈服破壞。說明設(shè)計是安全可靠的，并有一定的裕度。

5 結(jié)論

通過對Q460C高強鋼雙回路鋼管桿GSZ451-45真型試驗的試驗情況和試驗數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論和建議供工程設(shè)計參考：

（1）使用Q460C高強鋼材，能夠滿足輸電線路鋼管桿的設(shè)計要求，同時可降低單基塔重，建議在市區(qū)的輸電線路工程中適當(dāng)應(yīng)用。

（2）橫梁為方形法蘭，其受到彎剪的共同作用，受力狀態(tài)比較復(fù)雜。且對于方形法蘭目前還沒有成熟的設(shè)計方法。建議進行節(jié)點試驗和有限元計算。

（3）試驗超載致115%，桿底主管并無明顯的屈服破壞，說明設(shè)計是安全可靠的，桿的強度和剛度均符合設(shè)計要求，并有一定的裕度。建議在工程中可以適當(dāng)加大寬厚比限值，但應(yīng)控制在28.6以內(nèi)。

（4）直線雙桿在順線行方向的剛度較小，其位移較大?？紤]是在市區(qū)中走線，應(yīng)根據(jù)工程需要適當(dāng)提高長期撓度和最大撓度的要求。

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作者簡介：

張亮亮，1982，男，漢族，河南省焦作市，碩士，工程師，從事輸電工程方面的設(shè)計與研究工作。

羅紫電，1981，女，漢族，湖南省益陽市，碩士，工程師，從事輸電工程方面的設(shè)計與研究工作。