±800 kV工程特高壓直流輸電鐵塔真型試驗(yàn)研究

關(guān)志軍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030001）

0 引言

輸電線路鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，桿件一般作為軸心受力構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算時(shí)需先確定其截面分類。近幾年，新規(guī)范相繼發(fā)布，不同規(guī)范均對(duì)軋制等邊角鋼的截面分類進(jìn)行了調(diào)整。舊版規(guī)范《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154—2012）[1]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）[2]一致，均規(guī)定不同鋼材牌號(hào)的軋制等邊角鋼的最小軸失穩(wěn)均為b類；新版規(guī)范《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020）[3]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）[4]略有差異，二者均規(guī)定軋制等邊角鋼為a*類截面，即角鋼材質(zhì)為Q235材質(zhì)時(shí)取b類截面，角鋼材質(zhì)為Q345、Q390、Q420、Q460時(shí)取a類截面，不同在于前者還規(guī)定“設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全尺寸桿塔試驗(yàn)驗(yàn)證，否則應(yīng)按b類設(shè)計(jì)”。

由于新規(guī)范發(fā)布時(shí)間較短，輸電鐵塔真型試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)[5-9]對(duì)于角鋼的截面分類的研究尚處于空白，早期文獻(xiàn)[10-11]主要基于單個(gè)構(gòu)件對(duì)Q420高強(qiáng)度等邊角鋼的整體穩(wěn)定性和截面分類進(jìn)行研究。本文結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)鐵塔實(shí)際加載和理論計(jì)算的破壞情況進(jìn)行分析對(duì)比，并針對(duì)輸電鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)軋制等邊角鋼的截面分類給出建議。

1 試驗(yàn)塔設(shè)計(jì)條件

1.1 試驗(yàn)塔基本參數(shù)

本試驗(yàn)為白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸電線路工程Z27102A直線塔真型驗(yàn)證試驗(yàn)，采用雙極水平排列V串的掛線方式，塔材均為軋制等邊單角鋼，鐵塔主材主要采用Q420B，角鋼規(guī)格涵蓋L125×8～L200×16。塔身斜材主要采用Q355B材質(zhì)角鋼，其他桿件采用Q355B和Q235B材質(zhì)的角鋼。試驗(yàn)塔基本參數(shù)有：環(huán)境條件（海拔0～1000 m，平丘地形）；氣象條件（最大風(fēng)速27 m/s，最大覆冰10 mm）；導(dǎo)線（6×JL1/G3A-1000/45型號(hào)）、地線（JLB20A-150型號(hào)）；使用條件（水平擋距520 m，垂直擋距670 m，代表?yè)蹙?50 m，計(jì)算塔呼高60 m，試驗(yàn)塔呼高45 m，試驗(yàn)塔質(zhì)量32.88 t，試驗(yàn)呼高角鋼最大規(guī)格Q420L200×16，轉(zhuǎn)角度數(shù)為零）。

1.2 試驗(yàn)塔加載工況

充分考慮特高壓直流直線塔受力特點(diǎn)，選擇6個(gè)典型荷載工況作為加載工況，工況1～工況6依次為斷左導(dǎo)線、斷右導(dǎo)線、斷左地線、錨右導(dǎo)線、90°大風(fēng)和45°大風(fēng)工況。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)安裝取1.0，其他工況取1.1，地面粗糙度類別按B類考慮，基準(zhǔn)風(fēng)起算高度為10 m。

2 試驗(yàn)塔理論計(jì)算

試驗(yàn)塔計(jì)算時(shí)采用Smarttower建立桁架（桿單元）模型，分別計(jì)算上述工況下的鐵塔受力情況。經(jīng)理論分析，工況6（45°大風(fēng)工況）作用下，鐵塔主材受力最大，此工況為控制工況。

《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）關(guān)于等邊角鋼軸心受壓穩(wěn)定性計(jì)算公式為

其中，N為桿件受到的軸力；φ為穩(wěn)定系數(shù)；A為角鋼截面面積；f為角鋼抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

在工況6作用下桿件受力由軸心受壓失穩(wěn)控制，長(zhǎng)細(xì)比為40.8。桿件截面分類若按b類截面考慮，穩(wěn)定系數(shù)為0.835，失穩(wěn)計(jì)算應(yīng)力比為0.927；桿件截面分類若按a類截面考慮，穩(wěn)定系數(shù)為0.902，失穩(wěn)計(jì)算應(yīng)力比為0.879。

3 鐵塔真型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

a）加荷等效原理。采用液壓加荷裝置，通過(guò)鋼絲繩串聯(lián)拉力傳感器，按試驗(yàn)分級(jí)要求，逐步將垂直負(fù)荷、水平負(fù)荷及張力負(fù)荷施加在桿塔上各指定荷載作用點(diǎn)上。

b）觀測(cè)。通過(guò)拉力傳感器控制水平負(fù)荷及張力負(fù)荷加載的大小值；采用應(yīng)變測(cè)量?jī)x，測(cè)出各主要桿件的應(yīng)變值得到各桿件的應(yīng)力：測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值=應(yīng)變值×材料彈性模量。在桿塔的正、側(cè)兩面各設(shè)置全站儀，分別測(cè)量桿塔正、側(cè)面的撓度變形值及橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)位移值，并由各測(cè)點(diǎn)位移值繪出撓度曲線。

3.2 試驗(yàn)方案簡(jiǎn)述

試驗(yàn)塔采用1∶1全尺寸試驗(yàn)，共設(shè)置16個(gè)位移測(cè)點(diǎn)和56個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。加載工況分兩類：一為驗(yàn)證性工況，即加載達(dá)到100%設(shè)計(jì)荷載時(shí)結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞；二為超載工況，首先加載至100%設(shè)計(jì)荷載完成鐵塔的安全性驗(yàn)證，之后繼續(xù)加載至鐵塔喪失承載力，以便與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，選取工況6為超載工況。

加載分級(jí)如下：工況1～工況5，0%→50%→75%→90%→95%→100%→50%→0%；工況6，0%→50%→75%→90%→95%→100%→105%→110%→115%→120%→125%→130%→135%→140%→145%→150%。

3.3 試驗(yàn)情況

首先依次進(jìn)行工況1至工況6試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載，試驗(yàn)塔各構(gòu)件未發(fā)生明顯的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，鐵塔結(jié)構(gòu)安全可靠。其次進(jìn)行工況6荷載加至100%后繼續(xù)加載試驗(yàn)，當(dāng)荷載加至127%時(shí)試驗(yàn)塔塔腿主材（桿件號(hào)3801）發(fā)生受壓失穩(wěn)破壞[12]5，此時(shí)鐵塔喪失繼續(xù)承載能力。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)塔應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)主要工況和關(guān)鍵構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力和實(shí)測(cè)內(nèi)力統(tǒng)計(jì)如表1所示。從表1可看出：45°大風(fēng)工況基本控制全部塔身主材，與理論計(jì)算一致；除90°工況時(shí)塔身斜材實(shí)測(cè)內(nèi)力較計(jì)算內(nèi)力大4%外，其他試驗(yàn)塔關(guān)鍵材料實(shí)測(cè)內(nèi)力均小于計(jì)算內(nèi)力，且計(jì)算應(yīng)力和實(shí)測(cè)應(yīng)力偏差較小。從整體對(duì)比情況來(lái)看，Z27102A直線塔實(shí)測(cè)內(nèi)力和計(jì)算內(nèi)力比較吻合，鐵塔強(qiáng)度安全可靠，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。

表1 試驗(yàn)塔加荷100%時(shí)主要構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力和實(shí)測(cè)內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表

4.2 鐵塔腿部主材穩(wěn)定計(jì)算相關(guān)參數(shù)實(shí)測(cè)情況

a）材料實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度。根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司提供的材質(zhì)試驗(yàn)記錄[12]95-97，破壞位置試樣編號(hào)“Z27102A-3801”的3組主材屈服強(qiáng)度分別為418 MPa、427 MPa和429 MP，即平均屈服強(qiáng)度為424.7 MPa。

b）材料實(shí)測(cè)主材厚度。根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司提供的材質(zhì)試驗(yàn)記錄，破壞位置試樣編號(hào)“Z27102A-3801”的3組主材厚度分別為16.30 mm、16.40 mm和16.38 mm，即平均厚度為16.36 mm。

4.3 腿部主材失穩(wěn)破壞過(guò)程原因分析

造成鐵塔腿部主材失穩(wěn)破壞存在下列2種情況：一是主材破壞位置附近輔助材率先破壞造成腿部主材長(zhǎng)細(xì)比發(fā)生變化，進(jìn)而造成腿部主材發(fā)生失穩(wěn)破壞；二是主材承載力不足率先發(fā)生失穩(wěn)破壞。從輔助材3804/380處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在工況6作用下實(shí)測(cè)內(nèi)力和理論內(nèi)力對(duì)比情況可以看出，100%加載時(shí)實(shí)測(cè)內(nèi)力較理論值低11%，125%加載時(shí)實(shí)測(cè)內(nèi)力與100%加載時(shí)理論值相當(dāng)，可以認(rèn)為腿部輔助材3804/3805處未先于腿部主材屈曲，腿部主材3801處由于自身失穩(wěn)破壞，而非腿部輔助材率先屈曲導(dǎo)致主材長(zhǎng)細(xì)比突變所致。

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算對(duì)比分析

針對(duì)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）關(guān)于軋制等邊角鋼受壓穩(wěn)定計(jì)算時(shí)截面分類的不同規(guī)定，考慮角鋼屈服強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值和及穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算塔腿部主材破壞時(shí)的理論加載比例。計(jì)算公式為

其中，φ為穩(wěn)定系數(shù)；A為角鋼截面面積；f為角鋼抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy為角鋼屈服強(qiáng)度。

分別按照a類、b類2種截面類型計(jì)算鐵塔腿部主材破壞時(shí)的理論加載比例。按照b類截面計(jì)算試驗(yàn)塔在超載工況下塔腿位置破壞時(shí)的荷載理論值：破壞段主材設(shè)計(jì)應(yīng)力比為0.927，考慮屈服強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值，預(yù)測(cè)破壞時(shí)加載比例為420÷375÷0.927=121%；實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為424.7 MPa，實(shí)測(cè)角鋼厚度16.36 mm，按照實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度、實(shí)測(cè)角鋼截面尺寸計(jì)算，破壞時(shí)加載比例應(yīng)為424.7÷375÷0.927×16.36÷16=125%。按照a類截面計(jì)算試驗(yàn)塔在超載工況下塔腿位置破壞時(shí)的荷載理論值：破壞段主材設(shè)計(jì)應(yīng)力比為0.879，考慮屈服強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值，預(yù)測(cè)破壞時(shí)加載比例為420÷375÷0.879=127%；實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為424.7 MPa，實(shí)測(cè)角鋼厚度16.36 mm，考慮屈服強(qiáng)度和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值，按照實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度、實(shí)測(cè)角鋼截面尺寸計(jì)算，破壞時(shí)加載比例應(yīng)為424.7÷375÷0.879×16.36÷16=132%。

由試驗(yàn)情況可知，實(shí)際試驗(yàn)加荷到127%設(shè)計(jì)荷載時(shí)塔腿主材首先發(fā)生破壞；由前文可知，工況6在100%加載時(shí)腿部主材受力理論計(jì)算值較實(shí)際受力值偏大。由此可判斷，本鐵塔真型試驗(yàn)結(jié)果與按照b類截面設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4.5 本真型試驗(yàn)主要結(jié)論

考慮到螺栓滑移、構(gòu)件幾何缺陷、加載方式、測(cè)量誤差等因素影響，可以認(rèn)為，該鐵塔理論破壞荷載級(jí)別與實(shí)際破壞荷載級(jí)別基本吻合，檢驗(yàn)了鐵塔的極限承載力。從本試驗(yàn)塔的情況可以看出，Q420主材繞最小軸失穩(wěn)時(shí)按照b類截面計(jì)算相對(duì)于按a類截面計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果更接近。

5 結(jié)論及建議

a）白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸電線路工程Z27102A直線塔真型試驗(yàn)實(shí)測(cè)內(nèi)力與計(jì)算內(nèi)力較為吻合，鐵塔受力狀態(tài)與理論計(jì)算基本吻合，設(shè)計(jì)理論正確，構(gòu)造布置合理，鐵塔承載能力良好。

b）Z27102A直線塔設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)，能滿足工程實(shí)際需要。

c）按《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020）和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）關(guān)于軋制等邊角鋼受壓穩(wěn)定計(jì)算時(shí)截面分類的不同規(guī)定，經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Q420主材繞最小軸失穩(wěn)時(shí)按照b類截面設(shè)計(jì)相對(duì)于按a類截面設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果更接近。

d）基于本次試驗(yàn)結(jié)果，建議輸電線路鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)在經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，按照b類截面選取穩(wěn)定系數(shù)。同時(shí)，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，建議后期進(jìn)行鐵塔真型試驗(yàn)時(shí)進(jìn)一步關(guān)注軋制等邊角鋼的截面分類情況。