王智飛，默增祿，任宗棟，李士鋒，黃璜，張遨宇

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京市，100032)

0 引言

大容量和長距離輸電的需求，促進了電網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，特高壓電網(wǎng)在我國應(yīng)運而生。正在建設(shè)的淮南—皖南—浙北—滬西1 000 kV交流輸電工程(皖電東送)是國內(nèi)首條特高壓同塔雙回輸電工程，由于鐵塔結(jié)構(gòu)承受荷載較大，利用角鋼材料已經(jīng)無法滿足承載力的要求。鋼管塔具有構(gòu)件小、剛度大、結(jié)構(gòu)簡潔、傳力清晰等優(yōu)點，能充分發(fā)揮材料的承載性能，因此塔身主材、斜材等主要受力構(gòu)件可優(yōu)先選用鋼管構(gòu)件［1-8］。橫擔(dān)為特高壓桿塔的重要組成部分，其上、下主材和斜材的受力和計算長度值分別小于塔身主材和斜材。本文以皖電東送線路工程鋼管塔為例，研究特高壓耐張桿塔導(dǎo)線橫擔(dān)的選材原則，為今后特高壓桿塔設(shè)計提供參考。

1 鋼管塔設(shè)計參數(shù)

皖電東送線路工程同塔雙回路SJ274鋼管塔設(shè)計條件為:最大風(fēng)速27 m/s，導(dǎo)線覆冰厚度10 mm，水平檔距500 m，垂直檔距650 m，導(dǎo)線為8×JL/G1A－630/45－45/7，地線為1×LBGJ－240－20AC，轉(zhuǎn)角度數(shù)為30°～40°，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.1。桿塔采用鴨嘴型橫擔(dān)，沿塔身向外收口［4］，各橫擔(dān)尺寸見表1。

表1 橫擔(dān)外形尺寸Tab.1 Size of cross arm

2 橫擔(dān)選材分析

2.1 橫擔(dān)主材

根據(jù)桿塔內(nèi)力計算結(jié)果，橫擔(dān)上部主材承受拉力900～1 200 kN，下部主材承受壓力750～1 400 kN。橫擔(dān)上部主材采用單肢角鋼或鋼管均能滿足選材要求，橫擔(dān)下部受壓控制主材計算長度達3～4 m，單肢角鋼已不能滿足選材要求，若采用雙拼角鋼，則節(jié)點連接構(gòu)造及掛點設(shè)置較為復(fù)雜，因此推薦耐張塔橫擔(dān)下部主材選用鋼管。本文對橫擔(dān)上、下主材選用鋼管(方案I)和上主材選用角鋼、下主材選用鋼管(方案Ⅱ)這2種方案進行計算分析，結(jié)果見表2。

表2 橫擔(dān)主材選材方案Tab.2 Selection scheme of main-legs for cross arm

與方案I相比，方案Ⅱ上部主材最大控制拉力增大5% ～9%，下部主材最大控制壓力減小6% ～12%，致使方案Ⅱ下部主材鋼管選材規(guī)格降1～2級。經(jīng)分析桿件截面模量的變化是引起上、下主材內(nèi)力重分配的主要原因。表3給出2種方案橫擔(dān)主材截面模量比值和質(zhì)量比值。由表3可知:方案Ⅱ橫擔(dān)上部主材截面模量較方案I增大15% ～30%，橫擔(dān)下部主材截面模量較方案I減小10% ～25%;2種方案的質(zhì)量指標(biāo)基本相當(dāng)，并無明顯變化。

表3 橫擔(dān)主材截面模量及質(zhì)量比值Tab.3 Ratio of section modulus and mass of cross arm's main-legs

經(jīng)對比分析，2種方案的橫擔(dān)風(fēng)荷載變化量均較小，與整個桿塔風(fēng)荷載相比可忽略不計;考慮到角鋼單價優(yōu)勢明顯，若上部主材采用角鋼，其與塔身及橫擔(dān)下部主材的連接方便且構(gòu)造簡單。

2.2 橫擔(dān)正面斜材

對橫擔(dān)正面斜材按照鋼管和角鋼分別優(yōu)化選材，經(jīng)計算各橫擔(dān)相同位置的選材規(guī)格基本相同，主要是由長細(xì)比控制選材，鋼管受最小規(guī)格限制，桿件規(guī)格均為φ89 mm×4 mm或φ102 mm×4 mm;正面斜材采用角鋼時塔質(zhì)量比采用鋼管的大0.2 t左右，約占總塔質(zhì)量的0.07%。

橫擔(dān)正面垂直方向桿件投影面積如表4所示。由表4可知:正面斜材采用角鋼的投影面積僅比鋼管大1%左右;橫擔(dān)正面斜材采用角鋼或鋼管對塔身風(fēng)荷載影響并不大。同時，該部位采用角鋼時的加工及安裝難度與采用鋼管相當(dāng)?？紤]立塔后整體外觀效果，推薦橫擔(dān)正面斜材采用鋼管。

表4 橫擔(dān)正面垂直方向桿件投影面積Tab.4 Vertical projected area of cross arm m2

2.3 上、下平面交叉斜材

橫擔(dān)上、下平面交叉斜材按照角鋼和鋼管分別選材，計算結(jié)果表明:角鋼選材范圍在└100 mm×7 mm至└160 mm×10 mm之間，長細(xì)比為110～180;鋼管選材受微風(fēng)振動長細(xì)比限值影響，范圍為φ89 mm×4 mm至 φ159 mm ×4 mm，長細(xì)比為90～130。

表5為各橫擔(dān)上、下平面斜材選用鋼管和角鋼質(zhì)量之比。經(jīng)計算，選用鋼管的理論計算質(zhì)量合計為4.9 t，而考慮鋼管連接插頭、連接板及連接螺栓等部件后的施工圖質(zhì)量合計為7.1 t，質(zhì)量增幅40%以上。表6為不同選材結(jié)果的施工圖質(zhì)量統(tǒng)計，可見橫擔(dān)上、下平面斜材選用角鋼其質(zhì)量較鋼管增加1.3 t，對塔質(zhì)量影響約1%，對塔質(zhì)量整體影響并不明顯。

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綜上，橫擔(dān)上、下平面交叉斜材選材的鋼管均為小直徑的無縫鋼管，單價較高，與角鋼相比存在明顯競價劣勢，由其塔質(zhì)量引起的經(jīng)濟優(yōu)勢將大為減小。對于鋼管構(gòu)件，無論是相貫連接或插板連接，都存在較大的焊接工作量，焊縫質(zhì)量直接影響到鐵塔結(jié)構(gòu)的安全可靠［5-6，9］，尤其影響直接承受動荷載的橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的安全，并且橫擔(dān)交叉斜材采用鋼管拼裝難度較大，而選用角鋼則不存在類似問題。

2.4 橫擔(dān)上、下平面交叉斜材彎曲撓度

交叉斜材在自重荷載作用下，產(chǎn)生彎曲變形，稱為“塌腰”，斜材中點出現(xiàn)最大撓曲變形。梁的撓曲線方程［10］為

式中:x為變形前梁的軸線方向;ν為梁橫截面形心沿梁軸線垂直方向的撓度;M(x)為梁自重彎矩;EI為梁截面彎曲模量。

橫擔(dān)交叉斜材可近似為簡支梁結(jié)構(gòu)形式。由簡支梁邊界條件，對撓曲方程二次積分，可得梁中點最大撓度為

式中:q為梁自重沿長度方向的均布荷載;l為梁跨長。

將交叉斜材分別選用角鋼與鋼管，計算其最大彎曲撓度，表7為橫擔(dān)第1組交叉斜材最大撓度占桿件總長百分比。

由表7可知，斜材選用角鋼或鋼管的最大撓度值為桿件長度的0.01% ～0.39%;角鋼與鋼管撓度比為0.50～1.36，僅左下與右下橫擔(dān)處比值達3.9左右，但最大撓度絕對值不到3 mm。由此可見，交叉斜材選用角鋼或鋼管其撓度絕對值均較小，采用角鋼的彎曲撓度并不都大于鋼管，部分桿件的撓度變形要小于鋼管。

表7 橫擔(dān)斜材最大撓度Tab.7 Maximum deflection of cross arm's diagonal members

3 結(jié)論

(1)橫擔(dān)上主材采用角鋼或鋼管，其上、下主材內(nèi)力發(fā)生重分配，并影響橫擔(dān)下主材選材規(guī)格;橫擔(dān)上主材采用角鋼在安全性和經(jīng)濟性方面是可行的;橫擔(dān)下主材建議采用鋼管。

(2)橫擔(dān)正面斜材采用角鋼或鋼管，對桿塔內(nèi)力變化影響可忽略不計，考慮桿塔正面整體美觀性，建議橫擔(dān)正面斜材采用鋼管。

(3)上、下平面交叉斜材采用角鋼或鋼管的自重最大彎曲撓度值與桿件長度之比為0.01% ～0.39%，撓度絕對值均較小;角鋼與鋼管的最大撓度之比為0.50～1.36，斜材采用角鋼的撓度值并不都大于鋼管。

(4)綜合經(jīng)濟性及加工安裝因素，橫擔(dān)上、下面交叉斜材采用角鋼構(gòu)件較為合理。

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