輸電線路耐候鋼角鋼塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧曉陽(yáng)

摘要：傳統(tǒng)鍍鋅角鋼塔在加工制作過(guò)程中帶來(lái)較大的人體和環(huán)境危害，免涂裝耐候角鋼塔在輸電線路中的應(yīng)用將極大改善這一問(wèn)題。本文從耐候角鋼塔設(shè)計(jì)方面闡述了關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，為耐候鋼在輸電線路中的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：輸電線路;耐候鋼角;鋼塔;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

近年來(lái)，一種“具有改善的耐大氣腐蝕性的結(jié)構(gòu)鋼（耐候鋼）”被國(guó)內(nèi)外輸電線路設(shè)計(jì)人員所關(guān)注。耐候鋼主要暴露的腐蝕性環(huán)境一般包括農(nóng)村大氣環(huán)境，城市大氣環(huán)境，工業(yè)大氣環(huán)境以及海洋大氣環(huán)境等幾種典型大氣類(lèi)型，不同腐蝕大氣各自的特點(diǎn)導(dǎo)致了耐候鋼不同的腐蝕行為。溫度、濕度及空氣中SO2 濃度均對(duì)鋼材的腐蝕有重要影響。因此在設(shè)計(jì)輸電鐵塔時(shí)要特別關(guān)注其所處大氣環(huán)境條件。

對(duì)于免涂裝耐候角鋼塔的設(shè)計(jì)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)指南。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在此方面的研究較少，僅有中國(guó)電力科學(xué)院于2009年在廈門(mén)220KV梧-內(nèi)官線路中完成2基冷彎耐候角鋼塔試點(diǎn)應(yīng)用，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)均采用噴鋅工藝進(jìn)行防腐，并未直接裸露使用。為探索耐候鋼在輸電角鋼塔中免涂裝使用的技術(shù)難點(diǎn)，本文從耐候角鋼塔設(shè)計(jì)方面闡述了關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

1 耐候鋼角鋼塔設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)

1.1 耐候鋼材料的選擇

選擇耐候鋼材料應(yīng)當(dāng)考慮以下原則：

（1）與工程建設(shè)所在地大氣環(huán)境相匹配，即滿(mǎn)足桿塔設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)角鋼腐蝕層厚度設(shè)計(jì)限值要求;

（2）材料強(qiáng)度滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范等;

（3）原材料供應(yīng)充足，且經(jīng)濟(jì)性較好。

某110KV輸電線路工程位于浙江省杭州市，杭州屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，耐候鋼可免涂裝直接暴露大氣環(huán)境下使用。本工程選用首鋼某公司生產(chǎn)的SQ355NH，其部分化學(xué)成分見(jiàn)表1，滿(mǎn)足耐候鋼材料選用原則。

1.2 軸心受壓構(gòu)件承載力計(jì)算

軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)? 是受壓構(gòu)件承載力計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，其受截面的不同形式和尺寸、不同的加工條件及相應(yīng)的殘余應(yīng)力、桿件的初彎曲等影響，現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范未對(duì)冷彎耐候角鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)取值做出規(guī)定。中國(guó)電力科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)大量的軸心受壓構(gòu)件試驗(yàn)，得到了冷彎角鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)?計(jì)算公式：

考慮不同約束條件對(duì)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比λ影響，長(zhǎng)細(xì)比需要進(jìn)行修正，修正系數(shù)K 見(jiàn)表2。

1.3 連接節(jié)點(diǎn)耐腐蝕技術(shù)措施

免涂裝耐候鋼與普通鍍鋅螺栓接觸存在電位差，兩者之間容易形成電化學(xué)腐蝕，盡管這種腐蝕短期內(nèi)不會(huì)造成角鋼塔任何影響，但隨著角鋼塔運(yùn)行時(shí)間的增加，普通鍍鋅螺栓腐蝕將不斷積累，存在角鋼塔節(jié)點(diǎn)喪失承載力的隱患。因此，免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節(jié)點(diǎn)必須采用同等耐候性能的緊固件（螺栓、螺母、墊片、金具以及地腳螺栓等）系列產(chǎn)品。

1.4 防雷接地措施

對(duì)于傳統(tǒng)線路桿塔，在避雷線或桿塔遭遇雷擊后，雷電流可沿桿塔塔身引至接地體，由于鍍鋅鋼桿塔塔身阻抗小，線路落雷后雷電流形成的塔頂電位主要受接地電阻影響。但耐候鋼桿塔塔身阻抗顯著高于鍍鋅鋼桿塔，在避雷線或桿塔遭遇雷擊且未形成有效雷電通道時(shí)，在相同接地電阻條件下，雷電流在耐候鋼桿塔上形成的塔頂電位明顯高于鍍鋅鋼桿塔，使得耐候鋼桿塔上絕緣子發(fā)生雷電反擊閃絡(luò)的概率明顯增大，雷電故障風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，針對(duì)耐候角鋼塔開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)的防雷設(shè)計(jì)。

2真型試驗(yàn)研究

為檢驗(yàn)冷彎耐候角鋼塔的整體承載能力情況，根據(jù)國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)1D2模塊，采用冷彎耐候角鋼設(shè)計(jì)了SJ4型耐張塔，進(jìn)行了桿塔真型試驗(yàn)。

依據(jù)輸電線路桿塔設(shè)計(jì)規(guī)范，本次試驗(yàn)共進(jìn)行了60°大風(fēng)、90°大風(fēng)等8個(gè)代表工況承載性能測(cè)試。試驗(yàn)塔通過(guò)了全部工況的驗(yàn)證性試驗(yàn)，并在超載工況達(dá)到116%時(shí)，受壓側(cè)塔腿主材最先發(fā)生彎曲失穩(wěn)破壞，最終造成倒塔。

3 結(jié)論與展望

免涂裝耐候角鋼塔的應(yīng)用，標(biāo)志著耐候鋼的抗大氣腐蝕性能發(fā)揮用于輸電桿塔，不僅解決了鋼材易腐蝕問(wèn)題，還解決了傳統(tǒng)鍍鋅鋼帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)節(jié)約角鋼塔后期維護(hù)費(fèi)用。本文針對(duì)免涂裝冷彎耐候角鋼塔開(kāi)展設(shè)計(jì)研究工作，主要形成以下結(jié)論：

（1）冷彎耐候角鋼預(yù)留銹蝕層厚度取0.5mm/面，平均腐蝕速率為0.013mm/a（設(shè)計(jì)使用年限取40年計(jì)算），可滿(mǎn)足常規(guī)大氣環(huán)境對(duì)耐候鋼銹蝕要求。

（2）對(duì)常用冷彎耐候角鋼截面特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并形成截面規(guī)格庫(kù)，以便工程實(shí)踐使用。

（3）免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用同等耐候性能的緊固件（螺栓、螺母、墊片、金具以及地腳螺栓等）系列產(chǎn)品。

（4）真型試驗(yàn)結(jié)果表明，采用冷彎耐候角鋼設(shè)計(jì)輸電桿塔可以滿(mǎn)足承載力要求。

此外，由于冷彎角鋼生產(chǎn)效率較低，且受廠家生產(chǎn)設(shè)備限制，不利于耐候鋼在輸電線路中的推廣應(yīng)用。熱軋耐候角鋼大規(guī)模生產(chǎn)，必將助推耐候鋼輸電角鋼塔在實(shí)際工程應(yīng)用。免涂裝冷彎耐候角鋼塔在國(guó)內(nèi)初次使用，設(shè)計(jì)相關(guān)方面研究甚少，還需進(jìn)一步對(duì)免涂裝冷彎耐候角鋼塔進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究。

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（作者單位：杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司）