重覆冰區(qū)500kV酒杯型鋼管塔設(shè)計及試驗研究

徐明鳴，何洪波

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

重覆冰區(qū)500kV酒杯型鋼管塔設(shè)計及試驗研究

徐明鳴，何洪波

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

5JT431重覆冰區(qū)酒杯型單回路耐張塔，全高39 m，單基重量57.14 t。整體采用鋼管構(gòu)件，除地線支架及橫擔(dān)平面交叉斜材采用角鋼構(gòu)件，鋼管材質(zhì)為Q345及Q235。真型試驗成功通過了大風(fēng)、安裝、斷線及覆冰工況等9個試驗工況，未有構(gòu)件明顯損壞，表明該塔設(shè)計正確，節(jié)點型式合理，整體安全可靠。

輸電線路；重覆冰區(qū)；酒杯型鋼管塔；真型試驗。

1 概述

近年來，覆冰荷載對電力設(shè)備的影響受到越來越廣泛的關(guān)注，覆冰災(zāi)害成為影響電網(wǎng)安全的重要因素。輸電線路不可避免穿越山區(qū)、峽谷以及微地形區(qū)域等重覆冰地區(qū)，如何以較小投資保證重覆冰地區(qū)輸電線路安全是目前擺在電網(wǎng)建設(shè)者面前的難題。重覆冰區(qū)鐵塔的特點是：需抵御覆冰情況下各種不利冰風(fēng)荷載組合，在嚴(yán)重覆冰情況下不但覆冰荷載大，傳統(tǒng)的角鋼結(jié)構(gòu)，鐵塔自身受到的風(fēng)荷載也較大。500kV交流線路耐張塔在30 mm及以上重覆冰區(qū)主材需要采用組合角鋼構(gòu)件，鐵塔構(gòu)造特別是節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜化，不同荷載組合下傳力路線復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計算，給設(shè)計、加工、安裝帶來難度。如果采用鋼管結(jié)構(gòu)，一方面可以簡化鐵塔結(jié)構(gòu)型式，減小塔身覆冰荷載及塔身風(fēng)荷載，降低基礎(chǔ)荷載；另一方面鋼管構(gòu)件管徑、厚度種類多，單構(gòu)件承載能力大，能充分發(fā)揮鋼材強度，降低鋼材指標(biāo)。

目前，鋼管塔在輸電線路工程中的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)針對10 mm及以下輕冰區(qū)線路鋼管塔設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計加工標(biāo)準(zhǔn)等研究取得了較全面成果，而重覆冰區(qū)鋼管塔應(yīng)用在國內(nèi)尚未開展工作。本文對500kV耐張塔5JT431的關(guān)鍵設(shè)計及試驗進(jìn)行介紹和分析。

2 酒杯型鋼管塔設(shè)計

2.1 設(shè)計基本參數(shù)

5JT431酒杯型鋼管耐張塔呼稱高27.0 m，鐵塔根開13.2 m，塔頭高度28.5 m，橫擔(dān)總寬度31.1 m，全高39.0 m，單基重量57.14 t。導(dǎo)線呈水平排列采用4× JLHA1/G1A－465/60，地線采用XGJ－180，設(shè)計水平檔距300/150 m，垂直檔距640/160 m，5JT431設(shè)計使用條件見表1。

表1 5JT431 設(shè)計使用條件

2.2 設(shè)計要點

2.2.1 塔型選擇

酒杯型耐張塔能有效緩解采用“干”字型耐張塔難以滿足導(dǎo)地線脫冰跳躍要求的缺陷，并且對于30 mm～50 mm重冰區(qū)，一般處于海拔高、高差大的山地，耐張絕緣子串容易出現(xiàn)上拔和下壓的情況，采用“干”字型耐張塔容易導(dǎo)致耐張線夾出口處導(dǎo)線對塔身和橫擔(dān)電氣距離不滿足規(guī)程要求，對塔放電引起跳閘的事故。所以30 mm及以上重冰區(qū)的單回路耐張塔推薦采用酒杯型塔。

圖1 相貫焊K節(jié)點型式

2.2.2 結(jié)構(gòu)布置

本塔采用鋼管及角鋼組合結(jié)構(gòu)，主材均采用鋼管構(gòu)件，地線支架斜材及橫擔(dān)上下平面交叉斜材采用角鋼構(gòu)件，其余斜材均采用鋼管構(gòu)件，鋼管材質(zhì)為Q345及Q235。塔身法蘭除變坡處均采用Q345鍛造法蘭，插板主要采用C型及十字插板。

2.2.3 曲臂K節(jié)點設(shè)計

經(jīng)過計算，K節(jié)點若采用插板連接型式，則在連接板與主管焊接端部應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，節(jié)點剛度較小，節(jié)點本身的位移較大。故重冰區(qū)酒杯型鋼管塔K節(jié)點推薦采用相貫焊連接型式，適當(dāng)采用加勁肋以減少應(yīng)力集中對主管局部承載力的影響，同時在支管與主管夾角小于30°，節(jié)點支管承載力計算可繼續(xù)使用現(xiàn)行規(guī)范計算，并考慮節(jié)點次彎矩因素，建議留10%～15%以上的安全裕度。K節(jié)點型式見圖1、圖2。

圖2 插板K節(jié)點型式

3 真型試驗

3.1 試驗概況

5JT431試驗塔在中國電力科學(xué)研究院北京良鄉(xiāng)桿塔基地進(jìn)行真型試驗驗證，加荷點通過連有測力傳感器的鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，加荷系統(tǒng)為液壓閉環(huán)自動測控系統(tǒng)。位移測量采用全站儀，應(yīng)變測量采用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀。

根據(jù)設(shè)計，選擇了控制桿件較多和具有代表性的工況進(jìn)行試驗。加荷級別按照相關(guān)規(guī)定，一般工況加載順序為0－50%－75%－90%－95%－100%－0，超載工況加載順序為 0－50%－75%－90%－95%－100%－105%－110%－115%－120%。本次試驗分別進(jìn)行了安裝(緊線、掛線)、斷線、正常運行、不均勻冰等工況荷載試驗，最后選取驗算覆冰工況進(jìn)行超載試驗，測試其抗冰能力。試驗塔順利通過全部9項工況試驗，未有構(gòu)件明顯損壞，試驗工況及加載情況見表2。

表2 試驗工況及加載情況

3.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

試驗應(yīng)變測量數(shù)據(jù)量大，而30 mm重冰區(qū)耐張塔大多數(shù)構(gòu)件均由驗算覆冰工況控制，本文選取了典型構(gòu)件在驗算覆冰工況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。圖3為5TJ431單線圖，圖4為5TJ431應(yīng)變片位置圖。

圖3 5TJ431單線圖

圖4 5TJ431應(yīng)變片位置圖

由表3數(shù)據(jù)可知：(1)加載100%設(shè)計荷載時，構(gòu)件理論與實測應(yīng)力基本吻合，塔身及塔腿結(jié)構(gòu)布置簡潔，傳力清晰，相比于塔頭，吻合程度更好；(2)曲臂主材及塔腿主材的實測值大于理論值，這主要是由于構(gòu)件端部及K節(jié)點的次彎矩引起的，其中K節(jié)點實測值較理論值增加約9%，設(shè)計時必須考慮該因素；(3)各構(gòu)件實測應(yīng)力均未超過材料的設(shè)計強度，表明設(shè)計是合理而安全的。

由表4數(shù)據(jù)可知：(1)試驗超載荷載到120%時，塔腿主材和塔腿輔助材已經(jīng)超過了材料的屈服強度，而構(gòu)件并沒有明顯變形及破壞，表明鋼管構(gòu)件具有較好的延性和承載能力；(2)從各加載跳級和應(yīng)力增加的關(guān)系看，進(jìn)入超載條件下，桿塔變形大部分處于彈性狀態(tài)，部分構(gòu)件漸入塑形狀態(tài)，鐵塔整體處于彈塑性變形。主要表現(xiàn)為，隨著超載級別的提高，各構(gòu)件實測應(yīng)力增加的速率降低，已到達(dá)或接近材料屈服強度的構(gòu)件尤為明顯。

由表5數(shù)據(jù)可知：(1)各掛點位移的理論計算值普遍大于試驗值，主要數(shù)值的偏差約為15%；(2)因為鋼管塔構(gòu)件節(jié)點主要采用法蘭和插板，剛度較強，對構(gòu)件端約束較大，而理論計算無法考慮到這點，因此位移理論計算值大于試驗值是合理的。

表3 典型構(gòu)件應(yīng)變值

表4 典型構(gòu)件超載工況應(yīng)變值

表5 典型工況位移值

4 結(jié)論及建議

(1)重覆冰區(qū)應(yīng)用鋼管塔，其風(fēng)荷載比角鋼塔小、避免組合角鋼的不均勻性、具有更好的動力特性、比角鋼構(gòu)件次彎矩應(yīng)力大大減小，受力特性更好。

(2)重冰區(qū)酒杯型鋼管塔K節(jié)點推薦采用相貫焊連接型式，可有效控制節(jié)點位移，適當(dāng)采用加勁肋以減少應(yīng)力集中對主管局部承載力的影響，考慮次彎矩因素，建議設(shè)計留有10%～15%的安全裕度。

(3)重冰區(qū)酒杯型鋼管塔整體承載能力強，鋼管構(gòu)件具有較好的安全儲備，在同等安全度情況下在重覆冰區(qū)應(yīng)用鋼管塔有利于增強抵御自然災(zāi)害的能力。

(4)重冰區(qū)酒杯型鋼管塔結(jié)構(gòu)布材簡潔，傳力清晰，斜材采用插板連接，減小端頭偏心，使得真型試驗實測值與理論設(shè)計值吻合性好。

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Design and Test for Cup-type Steel Tubular Tower for 500kV Transmission Line in Heavy Icing Area

XYU Ming-ming,HE Hong-bo
(Hunan Electric Power Design Institute,Changsha 410007,China)

The 5JT431 cup-type angle tower with height 39m and weight 57.14t,is the single-circuit tower for 500kV heavy ice regions. Except the braced panel of ground supports and cross arm,steel tubular are applied in whole tower.The highest strength of tubular steel is Q345. The Full-scale test had successfully passed nine tests under operation conditions including wind and installation and line broken and ice over,which show that the design is accurate,and the node connecting pattern is reasonable,and the whole tower structure is reliable.

transmission line; heavy icing area; cup-type steel tubular tower; full-scale test.

TM75

A

1671-9913(2017)05-0045-05

2016-08-03

徐明鳴(1981- )，男，浙江富陽人，研究生，高級工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。