陳伯炯

（廣東省電力線路器材廠有限公司，廣州 510450）

基于加工考慮的220kV及以下電壓輸電鋼管桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳伯炯

（廣東省電力線路器材廠有限公司，廣州 510450）

鋼管桿結(jié)構(gòu)由于占地面積小、結(jié)構(gòu)形式美觀感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在220kV及以下電壓輸電設(shè)施中占有著很大的比例?，F(xiàn)階段，我國(guó)鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造還處于分開進(jìn)行的模式中，往往造成設(shè)計(jì)的構(gòu)件無(wú)法制造等情況。本文從結(jié)構(gòu)的桿型選取、幾何尺寸兩個(gè)方面出發(fā)，在滿足結(jié)構(gòu)安全性、美觀性的前提下，以加工過(guò)程為研究對(duì)象對(duì)鋼管桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鋼管桿 加工制造 優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)，作為基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的電力行業(yè)也得到了飛速發(fā)展，許多大型輸電設(shè)施相繼投入使用。相對(duì)于傳統(tǒng)的輸電設(shè)施占地面積大、建設(shè)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，輸電鋼管桿由于其造型新穎、美觀，占地面積小、將輸電與美化環(huán)境于一體等特點(diǎn)，在220kV及以下電壓輸電設(shè)施中得到了廣泛應(yīng)用。但輕鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)起步較晚，設(shè)計(jì)方法還不是十分成熟，尤其在設(shè)計(jì)與加工方面存在許多矛盾。本文從加工方面考慮，給出220kV及以下電壓輸電鋼管桿的一些優(yōu)化參數(shù)。

1 鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工存在的問(wèn)題

鋼管桿的設(shè)計(jì)與制造同我國(guó)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)一樣，存在著設(shè)計(jì)與制造分開進(jìn)行的情況。建設(shè)單位將設(shè)計(jì)任務(wù)委托給設(shè)計(jì)單位，由設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)出的加工圖紙轉(zhuǎn)到制造單位，雖然可以使各單位的任務(wù)更加明確，但同時(shí)也伴隨著很多的問(wèn)題，主要有：（1）設(shè)計(jì)人員不了解制造工藝，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的桿件難以制造或即使能制造也不便安裝從而影響了結(jié)構(gòu)的安全和使用；（2）設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)難度較大，構(gòu)件的截面非常見截面，導(dǎo)致制造加工的任務(wù)量增加；（3）設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)熱加工處理考慮不周，導(dǎo)致構(gòu)件制作過(guò)程中熱處理工藝較多，直接影響構(gòu)件的力學(xué)性能。

2 基于加工考慮的輸電鋼管桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

輸電鋼管桿在設(shè)計(jì)時(shí)，既應(yīng)考慮桿件安全性、適用性，也應(yīng)考慮切合實(shí)際制造加工等各方面因素，對(duì)此本文將結(jié)合采用NSA鋼管桿設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)桿件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，就以下幾個(gè)方面給出相應(yīng)的參考參數(shù)。

2.1 轉(zhuǎn)角桿角度選取

在設(shè)計(jì)初期，轉(zhuǎn)角桿角度的選取起著至關(guān)重要的作用，決定著桿件承受荷載的大小，因此在設(shè)計(jì)初期應(yīng)綜合考慮后期制造選取合適的角度。角度的選取受到地形、地表、地貌等多因素影響，通過(guò)對(duì)廣東地區(qū)的輸電鋼管桿的數(shù)據(jù)分析，本文建議對(duì)轉(zhuǎn)角桿的角度采用的參考值見表1。

表1 轉(zhuǎn)角桿角度優(yōu)化參考值

2.2 幾何尺寸

從結(jié)構(gòu)方面考慮，鋼管桿與其他輸電設(shè)施的不同之處在與其撓度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)起著決定性的作用。如果僅滿足強(qiáng)度要求，其撓度在正常使用狀態(tài)下，有時(shí)能超出限值的30‰，將降低安全性及美觀性。所以在設(shè)計(jì)鋼管桿時(shí)，應(yīng)按滿足撓度限值來(lái)設(shè)計(jì)，如式（1）所示。

式中，M(x)為桿件所受彎矩；E為彈性模量；I(x)為截面極慣性矩；α1為多邊形邊數(shù)修改系數(shù)。

在滿足強(qiáng)度和撓度的前提下，主要影響制造的幾何尺寸主要包括壁厚、錐度、梢徑、截面形狀和桿段劃分，這些因素從不同層面上決定了鋼管桿的耗材量和制造的難度。

（1）壁厚及桿件分段。

鋼管桿的壁厚不同于其他結(jié)構(gòu)的壁厚，其壁厚隨著桿件的長(zhǎng)度逐漸變化，所以在制造過(guò)程中建議將其分為不同的若干段分開制造。對(duì)于Q345材質(zhì)鋼材，當(dāng)壁厚大于24mm，Q420材質(zhì)，當(dāng)壁厚大于22mm時(shí)，首先就應(yīng)考慮制造是否可行，一般情況下當(dāng)設(shè)計(jì)所需的壁厚大于上述材質(zhì)對(duì)應(yīng)的壁厚時(shí)，建議采用其他構(gòu)造措施滿足撓度要求，例如增大環(huán)形截面的直徑等，而不建議繼續(xù)增大壁厚。在對(duì)桿件進(jìn)行分段時(shí)，建議首先考慮制造方面模壓和熱鍍鋅工藝的要求，其次建議考慮運(yùn)輸過(guò)程中的困難，如果需長(zhǎng)途運(yùn)輸，其長(zhǎng)度不建議大于8m，以減少運(yùn)輸?shù)某杀荆煌诤竦姆侄伍L(zhǎng)度的建議值見表2。

表2 鋼管桿不同壁厚的分段長(zhǎng)度

（2）錐度和梢徑。

錐度和梢徑成反比例關(guān)系，鋼管桿的錐度主要受作用在其上的荷載大小影響，荷載越大，所需的錐度也就越大以保證其安全性要求。錐度的大小還受梢徑的影響，為了滿足桿件的撓度要求，梢徑往往不能設(shè)置過(guò)小，也就要求錐度不能過(guò)大。而且在加工制造方面，錐度較大時(shí)，加工精度較低。

在對(duì)廣東地區(qū)的輸電鋼管桿的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，直線桿的錐度建議1/80～1/70為宜，轉(zhuǎn)角桿的錐度隨著角度的增加建議1/40～1/70為宜。當(dāng)電壓為110kV時(shí)，梢徑建議250～650mm為宜，當(dāng)電壓為220kV時(shí)，梢徑建議350～900mm為宜。

（3）截面形狀。

鋼管桿的截面形式主要有兩種：環(huán)形截面和多變形截面。環(huán)形截面的極慣性矩I環(huán)(x)要大于多變形截面的極慣性矩I多(x)，根據(jù)公式（1）可看出，當(dāng)按照撓度設(shè)計(jì)時(shí)，環(huán)形截面要優(yōu)于多邊形截面。但環(huán)形截面在制造過(guò)程中的難度要遠(yuǎn)大于多邊形截面，一方面是由于環(huán)形較為難以實(shí)現(xiàn)，另一方面環(huán)形截面制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的環(huán)形焊縫，降低截面的力學(xué)性能，因此在實(shí)際工程中建議優(yōu)先選用多邊形截面，但多邊形的邊數(shù)也建議控制在合理的范圍內(nèi)，否則也會(huì)增加制造過(guò)程中的困難。表3給出部分220kV及以下電壓輸電鋼管桿多邊形截面邊數(shù)的參考值。

表3 220kV及以下電壓輸電鋼管桿多邊形截面邊數(shù)的參考值

3 結(jié)論

在設(shè)計(jì)220kV及以下電壓輸電鋼管桿時(shí)，應(yīng)充分考慮其加工可實(shí)現(xiàn)性。本文從加工制造方面考慮，對(duì)鋼管桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出了設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值，結(jié)論如下：

（1）轉(zhuǎn)角桿角度方面，本文結(jié)合廣東地區(qū)的電壓輸電鋼管桿數(shù)據(jù)，給出15°為一階梯作為參考值，設(shè)計(jì)時(shí)采用這一參考值可以減少加工制造的困難程度。

（2）在鋼管桿尺寸方面，本文從三個(gè)方面論述，給出壁厚、桿件分段、錐度、梢徑、截面形狀的優(yōu)化參考值。壁厚以10mm、16mm、22mm為界限值將桿件分段長(zhǎng)度分為三個(gè)區(qū)間。同樣根據(jù)廣東地區(qū)的電壓輸電鋼管桿數(shù)據(jù)給出了直線桿和轉(zhuǎn)角桿兩種錐度適宜值。將鋼管桿以110kV和220kV為例給出梢徑的參考值。最后根據(jù)不同電壓和不同角度的轉(zhuǎn)角桿給出了多邊形截面的邊數(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程采用這些參考值可以較大程度的避免構(gòu)件加工時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

[1]羅建榮.輸電線路鋼管桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].大陸橋視野月刊，2012，（8）：180.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 5130-2001 架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[3]陸洲.220kV鋼管桿設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)[B].紅水河，2007，26（2）：17-20.

[4]沈才元，章志鴻.110kV鋼管桿設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考[J].華東電力，2003，31（12）：32-34.

[5]北京道亨興業(yè)科技發(fā)展有限公司.NSA鋼管桿設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用說(shuō)明[Z].

Optimal Design of 220kV and Below Voltage Transmission Steel Pipe Rods Based on Machining Consideration

CHEN Bojiong
(Guangdong power line equipment factory Co., Ltd., Guangzhou 510450)

The structure of steel pipe rod occupies a large proportion in 220kV and below voltage transmission facilities due to its small footprint and beautiful structure. At the present stage, the design and manufacture of steel tubular structure in our country are still in the separate mode, which often causes the design of the components can not be manufactured. This paper considers the structure of the rod selection and geometric size, in order to meet the structural safety, aesthetic premise, the processing process for the research object of the steel pipe structure optimization design.

steel pipe rod, processing manufacturing, optimization design