耐候鋼轉(zhuǎn)角塔靜載試驗(yàn)研究

張金鋒 張?zhí)熘?楊 進(jìn) 陳 磊 張 露

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司， 合肥 230011； 2.安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司， 合肥 230022；3.北京航空航天大學(xué)合肥創(chuàng)新研究院， 合肥 230012； 4.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610031)

輸電鐵塔作為輸電線路的支承結(jié)構(gòu)，其安全性直接關(guān)系著我國(guó)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于其所處環(huán)境復(fù)雜，大風(fēng)[1]、冰凍[2]和地震[3]一直是學(xué)者研究輸電鐵塔安全性的重要考慮因素，研究成果較為成熟。而隨著電力工業(yè)和鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，耐候鋼由于其獨(dú)特的耐腐蝕性能成為了解決傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅防腐工藝所帶來的環(huán)境問題的有效途徑，但目前的相關(guān)研究較少。楊風(fēng)利等進(jìn)行了240 h不同模擬環(huán)境下的耐候鋼試樣的耐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明耐候鋼的耐蝕性能優(yōu)于普通碳鋼，為耐候鋼在鐵塔中的應(yīng)用提供了依據(jù)[4-5]。李正等介紹了耐候冷彎角鋼應(yīng)用于輸電直線塔的設(shè)計(jì)和加工方法[6]。韓軍科等對(duì)1基耐候冷彎型鋼直線塔進(jìn)行了真型試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明耐候鋼直線塔滿足使用要求[7]。Yao等研究了風(fēng)壓影響下耐候鋼輸電塔的局部失穩(wěn)問題，為耐候鋼輸電塔的設(shè)計(jì)提供了參考[8]。目前，耐候鋼的應(yīng)用研究多集中在直線塔，而對(duì)耐候鋼在轉(zhuǎn)角塔上的應(yīng)用的相關(guān)研究較少。

本文以安徽某設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)的220 kV電壓等級(jí)的SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔為例，展開耐候冷彎型鋼轉(zhuǎn)角塔真型試驗(yàn)研究，分析各種工況下耐候鋼轉(zhuǎn)角塔的剛度和強(qiáng)度，以驗(yàn)證耐候鋼轉(zhuǎn)角塔的安全性，為耐候鋼在轉(zhuǎn)角塔中的應(yīng)用推廣提供參考。

1 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔的結(jié)構(gòu)

SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔為220 kV雙回路輸電塔，以GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]、DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[10]、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]等為設(shè)計(jì)依據(jù)，全塔采用耐候鋼材料，結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)角塔的設(shè)計(jì)呼高為18 m，全高為35.5 m，導(dǎo)線型號(hào)為JL/G1A-400/35，地線型號(hào)為JLB20A-150，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為25 m/s，覆冰厚度為10 mm，水平檔距為450 m，垂直檔距為600 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)為20°～40°。轉(zhuǎn)角塔的主材、斜材和輔材均采用冷彎角鋼構(gòu)件，主材材質(zhì)為Q415NH，斜材和輔材材質(zhì)為Q415NH和Q355NH。

圖1 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu) mFig.1 Structure of the SJ2-18 deviation angle tower

2 真型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

本次SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔真型驗(yàn)證試驗(yàn)在中國(guó)電力科學(xué)研究院試驗(yàn)場(chǎng)完成，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。試驗(yàn)鐵塔在試驗(yàn)場(chǎng)基礎(chǔ)上被組裝，加荷點(diǎn)通過連有測(cè)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(dòng)加荷系統(tǒng)。位移測(cè)量采用萊卡全站儀，應(yīng)變測(cè)量采用靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀。

圖2 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔真型試驗(yàn)Fig.2 The full-scale test of the SJ2-18 deviation angle tower

2.2 試驗(yàn)工況

參考DL/T 5154—2012[10]，選取大風(fēng)、斷線、覆冰以及安裝8種工況進(jìn)行SJ2-18轉(zhuǎn)角試驗(yàn)鐵塔真型試驗(yàn)。8種工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

載荷值根據(jù)DL/T 5154—2012[10]進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際加載時(shí)根據(jù)加荷繩的傾斜角將各工況的設(shè)計(jì)荷載值換算為對(duì)應(yīng)的加荷鋼絲繩的試驗(yàn)荷載。工況1～7的荷載按0%—50%—75%—90%—95%—100%的試驗(yàn)荷載分級(jí)加載。工況8為超載工況，先按0%—50%—75%—90%—95%—100%的試驗(yàn)荷載分級(jí)加載后，再以每級(jí)5%的試驗(yàn)荷載遞增，直至試驗(yàn)鐵塔破壞。

2.3 測(cè)量方法及測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合SJ2-18型轉(zhuǎn)角試驗(yàn)鐵塔的試驗(yàn)工況，試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在塔身變坡處、塔腿處和導(dǎo)線橫擔(dān)等關(guān)鍵部位，其中位移觀測(cè)點(diǎn)12個(gè)，為u1～u12，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)25個(gè)，為s1～s25，如圖3所示。位移和應(yīng)變的測(cè)試未考慮鐵塔自重的影響。

圖3 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔位移及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Arrangements of displacement and strain measurement points on the SJ2-18 deviation angle tower

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 位移試驗(yàn)結(jié)果

各試驗(yàn)工況在100%試驗(yàn)載荷加載時(shí)，SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔所有觀測(cè)點(diǎn)的位移值如圖4所示。由圖4a可知：大風(fēng)方向和覆冰情況對(duì)轉(zhuǎn)角塔的橫向位移影響最大；所有觀測(cè)點(diǎn)的最大橫向位移均出現(xiàn)在工況6條件下，其中觀測(cè)點(diǎn)u9的橫向位移最大，為526 mm；斷線情況和轉(zhuǎn)角度數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)角塔的橫向位移影響也較為明顯。由圖4b可知：轉(zhuǎn)角塔導(dǎo)線橫擔(dān)的縱向位移受斷線情況的影響最大，轉(zhuǎn)角塔塔身的縱向位移受安裝工況的影響較大；工況2下觀測(cè)點(diǎn)u9的縱向位移最大，為660 mm；轉(zhuǎn)角度數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)角塔縱向位移影響也十分明顯；風(fēng)載荷對(duì)轉(zhuǎn)角塔縱向位移影響很小。由圖4c可知：轉(zhuǎn)角塔的垂向位移受90°大風(fēng)的影響最大，這是由于90°大風(fēng)使塔身產(chǎn)生了橫向彎曲；除了觀測(cè)點(diǎn)u4外，其余觀測(cè)點(diǎn)的最大垂向位移均出現(xiàn)在工況6下，其中觀測(cè)點(diǎn)u9的垂向位移最大，為-220 mm；斷線情況對(duì)轉(zhuǎn)角塔的垂向位移影響也較為明顯；其他條件對(duì)轉(zhuǎn)角塔的垂向位移的影響很小。

a—橫向位移； b—縱向位移； c—垂向位移。位移值正負(fù)號(hào)表示位移的方向。圖4 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔在各工況下100%試驗(yàn)載荷時(shí)的位移Fig.4 Displacement of the SJ2-18 deviation angle tower subjected to the 100% test load under various working conditions

3.2 應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)得到的應(yīng)變值為桿件軸向平均應(yīng)變，桿件軸向力試驗(yàn)值Ns由式(1)計(jì)算得到：

Ns=EεA

(1)

式中：ε為實(shí)測(cè)應(yīng)變值；E為鋼材的彈性模量，取206 GPa；A為桿件橫截面積。

參考DL/T 5154—2012[10]，考慮受壓桿件穩(wěn)定性的影響，桿件軸心壓力設(shè)計(jì)值N由式(2)計(jì)算得到：

N≤φAmNf

(2)

式中：φ為軸心受壓桿件穩(wěn)定性系數(shù);mN為壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù);f為鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔金屬材料性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？芍恨D(zhuǎn)角塔冷彎型鋼所采用的兩種鋼材的屈服極限均超過500 MPa，達(dá)到使用要求。參考GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[12]，冷彎角鋼的抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.165，即鋼材Q415NH的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值f=356 MPa，鋼材Q355NH設(shè)計(jì)強(qiáng)度值f=305 MPa。

表2 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔金屬材料性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mechanical property test results of the SJ2-18 deviation angle tower

各試驗(yàn)工況在100%試驗(yàn)載荷加載時(shí)，SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔主材和輔材應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的最大應(yīng)變值、對(duì)應(yīng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)、軸向力試驗(yàn)值及軸向力設(shè)計(jì)值如表3所示?？芍?轉(zhuǎn)角塔塔身主材、塔身斜材和塔身輔材的最大應(yīng)變值分別出現(xiàn)在工況8、工況3和工況3條件下，分別由s21、s14和s15應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)得，其值分別為-1.505×10-3、-8.0×10-4和-4.83×10-4；橫擔(dān)主材最大應(yīng)變值出現(xiàn)在工況3試驗(yàn)條件下，由s8應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)得，為-7.29×10-4；未考慮轉(zhuǎn)角塔的重力作用時(shí)，各工況下桿件軸向力試驗(yàn)值Ns均小于設(shè)計(jì)值N。

表3 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔各工況下最大應(yīng)變、應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results for the maximum strain and stress of the SJ2-18 deviation angle tower under various working conditions

應(yīng)變值ε中，“+”表示拉應(yīng)變，“-”表示壓應(yīng)變；軸向力Ns中“+”表示拉力，“-”表示壓力。

3.3 超載破壞測(cè)試結(jié)果

SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔在工況8分級(jí)載荷加載至轉(zhuǎn)角塔被破壞過程中的觀測(cè)點(diǎn)u9的位移值變化如圖5所示，觀測(cè)點(diǎn)s21的應(yīng)變和軸向力變化如圖6所示。由圖5、圖6可知：隨著載荷級(jí)別從50%增加至110%試驗(yàn)載荷時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)u9三個(gè)方向的位移和觀測(cè)點(diǎn)s21的應(yīng)變、軸向力均呈線性增大，說明轉(zhuǎn)角塔處于彈性變形階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；當(dāng)載荷級(jí)別超過110%試驗(yàn)載荷時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)u9三個(gè)方向的位移和觀測(cè)點(diǎn)s21的應(yīng)變、軸向力的增大呈現(xiàn)非線性，說明轉(zhuǎn)角塔處于彈塑性變形階段；當(dāng)載荷級(jí)別超過110%試驗(yàn)載荷時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)s21的軸向力超過Ns=1 755 kN，但轉(zhuǎn)角塔未發(fā)生傾覆破壞，轉(zhuǎn)角塔的整體強(qiáng)度保持較好，安全儲(chǔ)備較好；當(dāng)載荷級(jí)別增大到140%試驗(yàn)載荷時(shí)試驗(yàn)終止，轉(zhuǎn)角塔支腿4(俯視圖東南方向的支腿)的主材與塔腳板連接螺栓全部剪切破壞，如圖7所示。

圖5 工況8分級(jí)載荷下觀測(cè)點(diǎn)u9的位移Fig.5 Displacement of point u9 under graded loads of condition 8

圖6 工況8分級(jí)載荷下觀測(cè)點(diǎn)s21的應(yīng)變和軸向力Fig.6 Strain and axial forces of point s21 under graded loads of working condition 8

a—轉(zhuǎn)角塔支腿連接點(diǎn)； b—剪斷螺栓。圖7 SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔在工況8下螺栓剪切破壞Fig.7 Shear failure of the bolts of the deviation angle tower SJ2-18 under condition 8

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔進(jìn)行了8種工況100%試驗(yàn)載荷的真型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明采用耐候冷彎型鋼制造的SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔滿足正常使用要求；對(duì)SJ2-18型轉(zhuǎn)角塔進(jìn)行了工況8超載破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度安全可靠，安全儲(chǔ)備較好；研究結(jié)果為耐候冷彎型鋼在轉(zhuǎn)角塔中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)，有利于我國(guó)特高壓行業(yè)的發(fā)展。