1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東省廣州市 510663；

2.廣東天聯(lián)電力設(shè)計(jì)有限公司 廣東廣州 510663）

摘要：對(duì)Q460高強(qiáng)鋼雙桿鋼管桿進(jìn)行真型試驗(yàn)，旨在驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理及安全可靠，并為多桿鋼管桿的設(shè)計(jì)給出建議。首先對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，其次給出了本試驗(yàn)塔的法蘭螺栓和寬厚比所采用的計(jì)算公式，然后介紹了試驗(yàn)的工況、位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置等。試驗(yàn)結(jié)果表明：位移滿足規(guī)范規(guī)定的變形要求，應(yīng)變滿足構(gòu)件承載力要求，說(shuō)明試驗(yàn)桿的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定的安全儲(chǔ)備；同時(shí)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和法蘭連接也都安全可靠。最后，建議對(duì)方形法蘭進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元分析，同時(shí)注意桿頂撓度要求。

關(guān)鍵詞：Q460高強(qiáng)鋼；雙桿鋼管桿；真型試驗(yàn)；法蘭；寬厚比

1 引言

近年來(lái)我國(guó)電力事業(yè)高速發(fā)展，電網(wǎng)不斷升級(jí)，輸電線路向高電壓、大容量、多回路發(fā)展，致使輸電塔型越來(lái)越大，承受荷載也越來(lái)越大，對(duì)輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼材選用提出了更高要求[1]。對(duì)于城市電網(wǎng)建設(shè)，桿型主要以單桿鋼管桿為主，多用于220kV及其以下工程中，鋼材材質(zhì)以Q345為主，個(gè)別工程應(yīng)用了Q420[2]，對(duì)于Q460高強(qiáng)鋼雙桿鋼管桿，尚未見(jiàn)到研究應(yīng)用報(bào)道。

GSZ451鋼管桿是虎門(mén)濱海大道線路遷改工程中規(guī)劃的一個(gè)直線桿，采用雙桿橢圓型截面布置；桿身主材采用Q460高強(qiáng)鋼，橫擔(dān)和法蘭采用Q345鋼材；主桿法蘭為橢圓型，雙桿之間的連接橫梁法蘭為方形。為了檢驗(yàn)Q460高強(qiáng)鋼鋼管桿在各種主要荷載工況下受力桿件理論計(jì)算值和實(shí)際受力值的符合性，驗(yàn)證塔型設(shè)計(jì)方案的合理性以及塔型結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和連接法蘭的安全可靠性，2011年7月28—29日，在中國(guó)電力科學(xué)研究院良鄉(xiāng)試驗(yàn)基地，對(duì)GSZ451鋼管桿行了真型試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的另外一個(gè)重點(diǎn)是橢圓型截面的長(zhǎng)直邊寬厚比、橢圓型法蘭及方形法蘭的受力與變形，驗(yàn)證其理論計(jì)算與構(gòu)造是否能滿足要求。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于法蘭連接的研究和應(yīng)用較多，但大多局限于圓形法蘭連接[3]，對(duì)于方形法蘭及橢圓型法蘭的研究文獻(xiàn)較少。Willibald等[4-5]對(duì)方形柔性法蘭在軸力作用下受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了減少撬力的措施。王元清[6-7]等通過(guò)試驗(yàn)與有限元分析，對(duì)方形法蘭的受力進(jìn)行了研究，但并未涉及螺栓的受力分析。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)定[8-9]中還沒(méi)有這對(duì)橢圓型法蘭或方形法蘭的設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)人員一般都參考圓形法蘭的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Q460高強(qiáng)鋼橢圓型截面的長(zhǎng)直邊限值問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外規(guī)范[10-11]均沒(méi)有明確規(guī)定。只能參考其中對(duì)于箱形截面或矩形截面的設(shè)計(jì)公式。

本文對(duì)GSZ451鋼管雙桿的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了介紹，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，為大荷載、多回路條件下的鋼管多桿設(shè)計(jì)給出建議。

2 設(shè)計(jì)概況

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)條件

GSZ451試驗(yàn)桿主要執(zhí)行文獻(xiàn)[8-10]進(jìn)行設(shè)計(jì)，并參考了類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。該桿設(shè)計(jì)風(fēng)速為36m/s（10m高），無(wú)冰。導(dǎo)線為“4×JLR×/EST-500/50型特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線”；地線為“1根LBGJ-120鋁包鋼絞線，1根OPGW光纜”；水平檔距210m（對(duì)應(yīng)3度轉(zhuǎn)角），垂直檔距400m，代表檔距150m；設(shè)計(jì)呼高45m，全高72.6m；Q460高強(qiáng)鋼采用C級(jí)；計(jì)算軟件為北京道亨公司的“NSA鋼管桿設(shè)計(jì)系統(tǒng)”和自編的一些截面特性計(jì)算程序、橢圓形法蘭和方形法蘭計(jì)算程序等。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本試驗(yàn)桿所用的高強(qiáng)鋼材和螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見(jiàn)下表1所示。

表1 鋼材和螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

材料厚度或直徑（mm）抗拉（MPa）抗壓/抗彎

（MPa）抗剪

（MPa）孔壁承壓

（MPa）

Q460C鋼≤16415415240590

>16～35395395230565

8.8級(jí)粗制螺栓---400---300800

2.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）重要性系數(shù)取1.1。

（2）法蘭螺栓計(jì)算。本試驗(yàn)塔的法蘭螺栓按參考文獻(xiàn)[8-9]中的公式（如下）進(jìn)行計(jì)算，其中旋轉(zhuǎn)軸取管中心。

式中：N—受力最大的一個(gè)螺栓的拉力；M—法蘭所受的彎矩；y1—螺栓群中和軸至最大拉力螺栓的距離；yi—每列第i個(gè)螺栓至螺栓群中和軸的距離。

（3）長(zhǎng)直邊寬厚比限值。文獻(xiàn)[10]中對(duì)于箱形截面寬厚比的限值為：

文獻(xiàn)[11]對(duì)矩形截面寬厚比的限值為：

本試驗(yàn)塔的最大寬厚比為24.9，其中桿底為22.5，均小于上述限值。

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)于2011.07.28～29在中國(guó)電科院良鄉(xiāng)試驗(yàn)基地進(jìn)行。GSZ451-45試驗(yàn)桿設(shè)計(jì)工況共67個(gè)，選取了其中8個(gè)控制工況進(jìn)行試驗(yàn)[12]，如下表2所示。其中工況①～⑦的加荷級(jí)別為：0-50%-80%-90%-95%-100%-50% -0；工況⑧的加荷級(jí)別為：0-50%-80%-90%- 95%-100%-105%-110%-115%-50%-0。

表2 試驗(yàn)工況和目的

工況號(hào)工況名目的

1長(zhǎng)期撓度計(jì)算檢驗(yàn)桿體長(zhǎng)期變形是否符合規(guī)范要求

2同時(shí)斷右地線和右下導(dǎo)線地線橫擔(dān)在控制工況下的承載力和變形狀況

3同時(shí)斷右上、中導(dǎo)線按照規(guī)范要求，檢驗(yàn)同時(shí)斷2回導(dǎo)線時(shí)，桿體承載力和變形狀況

4起吊右下導(dǎo)線、其它導(dǎo)線均已裝（地線已裝）導(dǎo)線橫擔(dān)在控制工況下的承載力和變形狀況

5錨右下導(dǎo)線、其它導(dǎo)線均已錨檢驗(yàn)常用安裝工況下，桿塔的承載力和變形狀況

690度大風(fēng)計(jì)算主桿純軸力的承載力狀況和變形狀況

70度大風(fēng)計(jì)算主桿純彎矩下承載力狀況和變形狀況

845度大風(fēng)計(jì)算主管受壓受彎的承載力狀況和變形狀況

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)桿的位移測(cè)點(diǎn)和應(yīng)變布置如下圖1所示。位移測(cè)點(diǎn)共14個(gè)，以1、2、3…編號(hào)；應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共20個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)貼應(yīng)變片3～20個(gè)不等，共計(jì)102個(gè)。試驗(yàn)順利通過(guò)表2中8個(gè)工況的測(cè)試，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)加載情況如圖2所示，其中45度的大風(fēng)超載115%。

（a）位移側(cè)點(diǎn) （b）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

圖1 位移及應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)布置圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 位移結(jié)果分析

各個(gè)試驗(yàn)工況下，主要變形點(diǎn)的實(shí)測(cè)位移與理論計(jì)算結(jié)果，匯總見(jiàn)下表3。

實(shí)測(cè)位移受到眾多因素的影響，如初始缺陷、加工誤差、安裝過(guò)程中螺栓就位、加荷鋼絲繩等因素都會(huì)引起實(shí)測(cè)位移與理論計(jì)算的不一致。具體分析如下：

圖2 鋼管桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片

表3 各工況實(shí)測(cè)位移與理論計(jì)算位移

工況號(hào)工況名加荷

級(jí)別位移

測(cè)點(diǎn)橫向位移（mm）縱向位移（mm）豎向位移（mm）

理論值實(shí)測(cè)值理論值實(shí)測(cè)值理論值實(shí)測(cè)值

1長(zhǎng)期撓度計(jì)算100%263-815-3935

2同時(shí)斷右地線

和右下導(dǎo)線100%1140-16989953176123

14265295464102152

3同時(shí)斷右上、中導(dǎo)線100%1253-1010361006113133

1338-3684725100118

4起吊右下導(dǎo)線，

其它導(dǎo)線均已裝（地線已裝）100%1447640-10191381

5錨左下導(dǎo)線，其它導(dǎo)線均已錨100%10-3-2019264148256

690度大風(fēng)計(jì)算100%285815890-2602927

70度大風(fēng)計(jì)算100%2815951914419535327

845度大風(fēng)計(jì)算100%2804108737312138296171

945度大風(fēng)計(jì)算115%2934137743722708405239

（1）鋼管桿構(gòu)造簡(jiǎn)單，桿件都是按照梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算。因此，大部分工況下，理論值與實(shí)測(cè)值符合的都較好。

（2）雙桿2個(gè)方向的剛度較單桿都要大很多，因此長(zhǎng)期撓度工況位移很小，很容易滿足規(guī)范5‰的撓度限值。

（3）90度大風(fēng)工況下的最大位移為橫向1589mm，卸載后殘余變形為398mm。在第二天進(jìn)行0度工況試驗(yàn)之前，重測(cè)殘余變形基本為0。且對(duì)0度大風(fēng)工況的橫向位移幾乎沒(méi)有影響。說(shuō)明在彈性范圍內(nèi)，Q460鋼材的變形協(xié)調(diào)性能良好，試驗(yàn)桿構(gòu)造和加工精度良好。

（4）實(shí)測(cè)最大位移發(fā)生在工況7：0度大風(fēng)。該方向的剛度最小，受力狀態(tài)基本等同于單桿。Y向位移4.419m，全塔撓度為6.09%，在正常比例范圍內(nèi)，該塔滿足規(guī)范剛度要求。

（5）控制工況為45度大風(fēng)，超載至115%時(shí)，其實(shí)測(cè)位移分別為橫向1.377m，縱向2.708m，豎向0.239m。與理論計(jì)算相差較大，分可能是由于0度大風(fēng)的殘余變形較大，還沒(méi)有恢復(fù)的情況下造成的。

4.2 應(yīng)變結(jié)果分析

考慮到鋼管桿自身的重力，在試驗(yàn)加載前已經(jīng)引起了桿件的應(yīng)力和應(yīng)變。因此，對(duì)應(yīng)的理論分析值，也是考慮了鋼管桿的自重。各個(gè)試驗(yàn)工況下，主要測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸力、彎矩實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比，匯總見(jiàn)下表4。

表4 各工況測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸力、彎矩計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

桿件

類(lèi)型控制

工況桿件規(guī)格（長(zhǎng)×寬×厚）測(cè)點(diǎn)

編號(hào)實(shí)測(cè)值計(jì)算值

最大應(yīng)力/Mpa軸力或剪力/（kN）綜合應(yīng)力/Mpa軸力或剪力/（kN）

橫擔(dān)起吊Q345?580×380×121-297.2----283.4100.5

橫梁90度大風(fēng)Q460?400×400×10482.0955.8193.0505.3

主桿 Q460?2000×1000×2018-223.9-8419.5-139.3-7761

主桿0度大風(fēng)Q460?1191.9/730.6×1610-298.7----291.3-674.9

11-347.1----338.3-122.9

Q460?2000×1000×2017-341.5596.7-340.5301.7

18-336.4-2408.7-348.7-1377.1

主桿45度大風(fēng)

（100%）Q460?1191.9/730.6×1610-280.3----358-3669.2

11-147.6----343.44290.9

Q460?1750.9/917×2015328.65613.5323.75823.5

16-324.6-3640.2-341.3-7067.1

Q460?2000×1000×2017311.04687.1381.95671.3

18-293.4-6227.8-369.8-7219.3

主桿45度大風(fēng)

（115%）Q460?1191.9/730.6×1610-322.5----417.8-4225.8

11-178.5----401.54948.2

Q460?1750.9/917×2015370.26590.6377.06712.8

16-371.0-7157.5-397.9-8141.2

Q460?2000×1000×2017337.15533.4445.96536.8

18-337.7-7334.5426.7-8316.5

應(yīng)變的測(cè)量受到氣象條件、應(yīng)變片的黏貼質(zhì)量等因素影響很大，這些都會(huì)影響了實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算的符合性。具體分析如下：

（1）鋼管桿構(gòu)造簡(jiǎn)單，桿件都是按照梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算。因此，大部分工況下，理論值與實(shí)測(cè)值符合的都較好。

（2）橫擔(dān)只有1根鋼管，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力清晰。起吊時(shí)受到彎剪共同作用，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合的很好。

（3）橫梁的控制工況為90度大風(fēng)，加載至100%時(shí)，橫梁主管及其法蘭均未屈服，但其實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算有較大的誤差。分析原因可能是實(shí)測(cè)點(diǎn)的具體位置與理論分析位置偏差引起的。

（4）0度大風(fēng)的受力基本等同于單桿，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值相差無(wú)幾，吻合的非常好。這也證明了單桿的計(jì)算理論是非常成熟的。

（5）45度大風(fēng)是超載工況。此時(shí)鋼管雙桿在橫擔(dān)方向是軸力，在順線行方向是彎矩作用。此時(shí)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，實(shí)測(cè)的軸力與理論值基本一致，但是彎矩相差的較大，分析其原因可能是受到橫梁的影響，雙桿的受力不是簡(jiǎn)單的疊加。超載致115%時(shí)，主管及法蘭等并無(wú)明顯的屈服破壞。說(shuō)明設(shè)計(jì)是安全可靠的，并有一定的裕度。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)Q460C高強(qiáng)鋼雙回路鋼管桿GSZ451-45真型試驗(yàn)的試驗(yàn)情況和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論和建議供工程設(shè)計(jì)參考：

（1）使用Q460C高強(qiáng)鋼材，能夠滿足輸電線路鋼管桿的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可降低單基塔重，建議在市區(qū)的輸電線路工程中適當(dāng)應(yīng)用。

（2）橫梁為方形法蘭，其受到彎剪的共同作用，受力狀態(tài)比較復(fù)雜。且對(duì)于方形法蘭目前還沒(méi)有成熟的設(shè)計(jì)方法。建議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元計(jì)算。

（3）試驗(yàn)超載致115%，桿底主管并無(wú)明顯的屈服破壞，說(shuō)明設(shè)計(jì)是安全可靠的，桿的強(qiáng)度和剛度均符合設(shè)計(jì)要求，并有一定的裕度。建議在工程中可以適當(dāng)加大寬厚比限值，但應(yīng)控制在28.6以內(nèi)。

（4）直線雙桿在順線行方向的剛度較小，其位移較大?？紤]是在市區(qū)中走線，應(yīng)根據(jù)工程需要適當(dāng)提高長(zhǎng)期撓度和最大撓度的要求。

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作者簡(jiǎn)介：

張亮亮，1982，男，漢族，河南省焦作市，碩士，工程師，從事輸電工程方面的設(shè)計(jì)與研究工作。

羅紫電，1981，女，漢族，湖南省益陽(yáng)市，碩士，工程師，從事輸電工程方面的設(shè)計(jì)與研究工作。