張文濤

（東北電力設(shè)計院，長春 130021）

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，電壓等級不斷提高，導(dǎo)線截面不斷加大，輸電線路鐵塔受力大增、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，原來輸電線路鐵塔常使用的Q235和Q345鋼材材質(zhì)已不適應(yīng)目前高電壓等級工程的需要。為使鐵塔設(shè)計更趨經(jīng)濟(jì)合理，需探討采用高強(qiáng)鋼取而代之，以提高鐵塔的承載力。

1 高強(qiáng)鋼的承載力特性

過去我國運(yùn)行的輸電線路桿塔材料絕大部分采用的是Q235和Q345熱軋角鋼，近年來已建成的第一條750kV 電壓等級線路、1 000kV 交流特高壓試驗(yàn)示范工程及一些低電壓等級的線路鐵塔部分塔材采用了高強(qiáng)鋼，但對采用哪類材質(zhì)的高強(qiáng)鋼，在什么條件下使用更合適，存在一些不清楚之處。本文根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，針對構(gòu)件不同長細(xì)比，采用相同規(guī)格角鋼，對不同材質(zhì)高強(qiáng)鋼與Q345鋼的承載力特性進(jìn)行比較。

a.當(dāng)構(gòu)件長細(xì)比小于40時，構(gòu)件由強(qiáng)度控制。Q390角鋼對Q345 角鋼承載力提高11%～13%；Q420角鋼對Q345 角鋼承載力提高19%～22%；Q460角鋼對Q345角鋼承載力提高28%～33%。

b.當(dāng)構(gòu)件長細(xì)比在40～80之間時，構(gòu)件由穩(wěn)定控制。Q390角鋼對Q345 角鋼承載力提高5%～11%；Q420 角鋼對Q345 角鋼承載力提高8%～19%；Q460角鋼對Q345 角鋼承載力提高12%～28%。

c.當(dāng)構(gòu)件長細(xì)比大于80時，Q390角鋼對Q345角鋼承載力提高不到5%；Q420角鋼對Q345角鋼承載力提高不到8%；Q460角鋼對Q345角鋼承載力提高不到12%。

d.當(dāng)構(gòu)件長細(xì)比大于120 后，Q390、Q420、Q460與Q345角鋼承載力基本相當(dāng)。

上述比較可見，鐵塔使用高強(qiáng)鋼，除了在受壓強(qiáng)度控制及受拉強(qiáng)度控制具有明顯優(yōu)勢外，受壓穩(wěn)定控制時，構(gòu)件長細(xì)比應(yīng)控制在80以內(nèi)，且越低其優(yōu)勢越大。

2 桿件穩(wěn)定系數(shù)及穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)計算

2.1 穩(wěn)定系數(shù)計算

計算鐵塔角鋼受壓穩(wěn)定時，穩(wěn)定系數(shù)φ 直接采用DL／T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的b類。

即當(dāng)λ≤0.215時，φ＝1－α1λ2

式中：λ為桿件長細(xì)比；α1、α2、α3為系數(shù)，根據(jù)DL／T 5154—2012中表C.0.5－1的截面分類按表C.0.5－2采用。

2.2 穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)計算

根據(jù)DL／T 5145—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，當(dāng)角鋼肢寬與肢厚之比大于一定值時，要對壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度進(jìn)行折減，對于高強(qiáng)鋼折減系數(shù)為mN。高強(qiáng)鋼規(guī)定的6.1.2－2公式中分子值要減小。

式中：b為角鋼肢寬；t為角鋼肢厚。

使用高強(qiáng)材料的角鋼因?qū)捄癖刃枰獜?qiáng)度折減的規(guī)格比Q345的規(guī)格多，使得一些薄壁角鋼構(gòu)件承壓設(shè)計時，在強(qiáng)度上要有一定的折減［1］。

我的另一位朋友老周，是一個攝影愛好者，他和我住在同一個小區(qū)。我每個周末都能看到他長槍短炮地去鄉(xiāng)間攝影。有一天，我在本市的攝影展上看到了他的作品。令我驚訝的是，老周的作品沒有一幅不是以稻草為主題的——夕陽下的草堆、雨中的草屋、牛嘴里的草。我發(fā)現(xiàn)在老周拍攝的照片下面，清一色地配有一首詩。

3 Q420鋼材與Q460鋼材性能對比

在GB／T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中，Q420鋼有A－E 5個級別，而Q460鋼只有C－E 3個級別，同時規(guī)定Q460的D、E 級鋼不供應(yīng)型鋼和鋼棒，C級鋼要求具有0沖擊韌性的保證［2］，因此，現(xiàn)階段使用Q420高強(qiáng)鋼條件更充分。

Q460鋼除了在少數(shù)輸電線路試點(diǎn)應(yīng)用外，在國內(nèi)輸電線路上應(yīng)用較少，從設(shè)計計算角度看，現(xiàn)階段Q460鋼材質(zhì)的計算理論沒有困難，但在加工方面主要表現(xiàn)在工藝不成熟或不確定（如焊接質(zhì)量的保證），材質(zhì)本身的脆性以及采購規(guī)模小等弱點(diǎn)都限制Q460鋼的廣泛應(yīng)用。在強(qiáng)度計算方面，由于Q420鋼屈服點(diǎn)高出Q345鋼近122%，而Q460鋼屈服點(diǎn)高出Q420鋼只有110%，又因?yàn)殍F塔的常用角鋼規(guī)格在面積上并不連續(xù)，所以強(qiáng)度控制時材料取代方面，Q460 鋼取代Q420 鋼時，材料規(guī)格降低沒有Q420鋼取代Q345 鋼的效果明顯。在穩(wěn)定控制時更不明顯，其結(jié)果在塔重對比可看出，當(dāng)鐵塔主要材料用Q420鋼取代Q345鋼時塔重可減輕8%以上，而用Q460鋼取代Q420鋼時塔重只減輕2%左右。雖然如此，采用更高屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼是時代進(jìn)步的需要，隨著電壓等級的加大，對于±800kV、1 000 kV 等特高壓線路，鐵塔載荷會成倍地增加，而桿件的截面也隨之越來越大，因此對輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼材強(qiáng)度也提出了更高的要求。為了使鐵塔設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理，鋼材強(qiáng)度就必須大幅提高，且加工工藝也應(yīng)嚴(yán)格有保證。

4 高強(qiáng)鋼熱加工存在的問題

通過對高強(qiáng)鋼的調(diào)研、計算應(yīng)用結(jié)果分析及以往線路工程應(yīng)用高強(qiáng)鋼情況的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)使用高強(qiáng)鋼的鐵塔冷加工制造工藝與普通鋼的鐵塔并沒有明顯不同，全國各主要鐵塔廠現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)能力，在高強(qiáng)鋼的切削、制孔、制彎等主要加工工序上，完全可以滿足要求，但大多數(shù)鐵塔制造廠在高強(qiáng)鋼的焊接、層狀撕裂、熱變形及鍍鋅等熱加工方面技術(shù)能力顯得有些不足，加工工藝需進(jìn)一步完善。

a.焊接問題。高強(qiáng)鋼在焊接冷卻過程中，熱影響區(qū)容易形成淬火組織，使焊縫區(qū)的硬度提高，塑性下降，導(dǎo)致焊后產(chǎn)生裂紋。冷卻速度越快，裂紋趨向越嚴(yán)重，應(yīng)力集中敏感性也越強(qiáng)。如果工藝不當(dāng)，高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的綜合機(jī)械性能反而會低于普通鋼，因此，為確保鐵塔結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，需要對焊工進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)和考核。

b.層狀撕裂問題。層狀撕裂是因?yàn)楹附邮湛s應(yīng)力作用在鋼板厚度方向時，以鋼中非金屬雜質(zhì)為起點(diǎn)而產(chǎn)生與鋼板軋制表面基本平行的裂紋。一般來講層狀撕裂與焊接接頭有關(guān)，在T 型、角型或十字型接頭的厚鋼板多道焊接件中易發(fā)生層狀撕裂；當(dāng)板厚大于18mm 時，應(yīng)特別注意焊接部位的層狀撕裂問題。

c.熱變形加工問題。Q420、Q460 高強(qiáng)鋼材的熱變形加工與低等級材料的加工要求有本質(zhì)不同，主要是在熱變形加工后的材質(zhì)性能發(fā)生較大改變，如按照常規(guī)工藝加工，材料產(chǎn)生缺陷的幾率將大幅度增加，這時必須采取附加的工藝措施以消除這些加工缺陷。

d.鍍鋅問題。熱鍍鋅質(zhì)量主要包括鍍鋅層厚度均勻性、表面質(zhì)量和鍍層冶金學(xué)方面（如合金相組成、形態(tài)）的控制等。在750kV 工程中鍍鋅方面就存在鍍鋅厚度不夠和顏色不正的問題，這可能與Q420鋼中一定含量的合金元素對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱鍍鋅的影響有關(guān)，因此，分析不同合金元素對鍍鋅的影響以及根據(jù)不同成分的鋼材采用不同的熱鍍鋅工藝，需要進(jìn)行更深一步研究探討。

5 結(jié)論

a.輸電線路鐵塔采用Q420鋼能夠滿足經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求，目前優(yōu)于Q390鋼和Q460鋼使用條件，應(yīng)積極推廣使用。

b.使用高強(qiáng)鋼構(gòu)件長細(xì)比應(yīng)控制在80以內(nèi)，且越低其優(yōu)勢越大；應(yīng)盡量選用角鋼肢寬與肢厚比較小的角鋼。

c.Q390鋼在受壓穩(wěn)定控制構(gòu)件中其降低塔質(zhì)量的空間不大，經(jīng)濟(jì)性在這幾種材質(zhì)中最差。

d.Q460鋼由于生產(chǎn)、加工及材質(zhì)本身限制，現(xiàn)階段在輸電線路中應(yīng)用應(yīng)多加探討，慎重應(yīng)用。

e.使用高強(qiáng)鋼應(yīng)防止變形發(fā)生，采取提高焊接、鍍鋅質(zhì)量的相關(guān)措施。

［1］DL／T 5154—2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.

［2］GB／T 1591—2008，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.