徐明鳴，何洪波

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

重覆冰區(qū)500kV酒杯型鋼管塔設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

徐明鳴，何洪波

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

5JT431重覆冰區(qū)酒杯型單回路耐張塔，全高39 m，單基重量57.14 t。整體采用鋼管構(gòu)件，除地線支架及橫擔(dān)平面交叉斜材采用角鋼構(gòu)件，鋼管材質(zhì)為Q345及Q235。真型試驗(yàn)成功通過(guò)了大風(fēng)、安裝、斷線及覆冰工況等9個(gè)試驗(yàn)工況，未有構(gòu)件明顯損壞，表明該塔設(shè)計(jì)正確，節(jié)點(diǎn)型式合理，整體安全可靠。

輸電線路；重覆冰區(qū)；酒杯型鋼管塔；真型試驗(yàn)。

1 概述

近年來(lái)，覆冰荷載對(duì)電力設(shè)備的影響受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，覆冰災(zāi)害成為影響電網(wǎng)安全的重要因素。輸電線路不可避免穿越山區(qū)、峽谷以及微地形區(qū)域等重覆冰地區(qū)，如何以較小投資保證重覆冰地區(qū)輸電線路安全是目前擺在電網(wǎng)建設(shè)者面前的難題。重覆冰區(qū)鐵塔的特點(diǎn)是：需抵御覆冰情況下各種不利冰風(fēng)荷載組合，在嚴(yán)重覆冰情況下不但覆冰荷載大，傳統(tǒng)的角鋼結(jié)構(gòu)，鐵塔自身受到的風(fēng)荷載也較大。500kV交流線路耐張塔在30 mm及以上重覆冰區(qū)主材需要采用組合角鋼構(gòu)件，鐵塔構(gòu)造特別是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜化，不同荷載組合下傳力路線復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計(jì)算，給設(shè)計(jì)、加工、安裝帶來(lái)難度。如果采用鋼管結(jié)構(gòu)，一方面可以簡(jiǎn)化鐵塔結(jié)構(gòu)型式，減小塔身覆冰荷載及塔身風(fēng)荷載，降低基礎(chǔ)荷載；另一方面鋼管構(gòu)件管徑、厚度種類多，單構(gòu)件承載能力大，能充分發(fā)揮鋼材強(qiáng)度，降低鋼材指標(biāo)。

目前，鋼管塔在輸電線路工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)針對(duì)10 mm及以下輕冰區(qū)線路鋼管塔設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)加工標(biāo)準(zhǔn)等研究取得了較全面成果，而重覆冰區(qū)鋼管塔應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展工作。本文對(duì)500kV耐張塔5JT431的關(guān)鍵設(shè)計(jì)及試驗(yàn)進(jìn)行介紹和分析。

2 酒杯型鋼管塔設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

5JT431酒杯型鋼管耐張塔呼稱高27.0 m，鐵塔根開(kāi)13.2 m，塔頭高度28.5 m，橫擔(dān)總寬度31.1 m，全高39.0 m，單基重量57.14 t。導(dǎo)線呈水平排列采用4× JLHA1/G1A－465/60，地線采用XGJ－180，設(shè)計(jì)水平檔距300/150 m，垂直檔距640/160 m，5JT431設(shè)計(jì)使用條件見(jiàn)表1。

表1 5JT431 設(shè)計(jì)使用條件

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 塔型選擇

酒杯型耐張塔能有效緩解采用“干”字型耐張塔難以滿足導(dǎo)地線脫冰跳躍要求的缺陷，并且對(duì)于30 mm～50 mm重冰區(qū)，一般處于海拔高、高差大的山地，耐張絕緣子串容易出現(xiàn)上拔和下壓的情況，采用“干”字型耐張塔容易導(dǎo)致耐張線夾出口處導(dǎo)線對(duì)塔身和橫擔(dān)電氣距離不滿足規(guī)程要求，對(duì)塔放電引起跳閘的事故。所以30 mm及以上重冰區(qū)的單回路耐張塔推薦采用酒杯型塔。

圖1 相貫焊K節(jié)點(diǎn)型式

2.2.2 結(jié)構(gòu)布置

本塔采用鋼管及角鋼組合結(jié)構(gòu)，主材均采用鋼管構(gòu)件，地線支架斜材及橫擔(dān)上下平面交叉斜材采用角鋼構(gòu)件，其余斜材均采用鋼管構(gòu)件，鋼管材質(zhì)為Q345及Q235。塔身法蘭除變坡處均采用Q345鍛造法蘭，插板主要采用C型及十字插板。

2.2.3 曲臂K節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，K節(jié)點(diǎn)若采用插板連接型式，則在連接板與主管焊接端部應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)剛度較小，節(jié)點(diǎn)本身的位移較大。故重冰區(qū)酒杯型鋼管塔K節(jié)點(diǎn)推薦采用相貫焊連接型式，適當(dāng)采用加勁肋以減少應(yīng)力集中對(duì)主管局部承載力的影響，同時(shí)在支管與主管夾角小于30°，節(jié)點(diǎn)支管承載力計(jì)算可繼續(xù)使用現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算，并考慮節(jié)點(diǎn)次彎矩因素，建議留10%～15%以上的安全裕度。K節(jié)點(diǎn)型式見(jiàn)圖1、圖2。

圖2 插板K節(jié)點(diǎn)型式

3 真型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

5JT431試驗(yàn)塔在中國(guó)電力科學(xué)研究院北京良鄉(xiāng)桿塔基地進(jìn)行真型試驗(yàn)驗(yàn)證，加荷點(diǎn)通過(guò)連有測(cè)力傳感器的鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，加荷系統(tǒng)為液壓閉環(huán)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。位移測(cè)量采用全站儀，應(yīng)變測(cè)量采用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀。

根據(jù)設(shè)計(jì)，選擇了控制桿件較多和具有代表性的工況進(jìn)行試驗(yàn)。加荷級(jí)別按照相關(guān)規(guī)定，一般工況加載順序?yàn)?－50%－75%－90%－95%－100%－0，超載工況加載順序?yàn)?0－50%－75%－90%－95%－100%－105%－110%－115%－120%。本次試驗(yàn)分別進(jìn)行了安裝(緊線、掛線)、斷線、正常運(yùn)行、不均勻冰等工況荷載試驗(yàn)，最后選取驗(yàn)算覆冰工況進(jìn)行超載試驗(yàn)，測(cè)試其抗冰能力。試驗(yàn)塔順利通過(guò)全部9項(xiàng)工況試驗(yàn)，未有構(gòu)件明顯損壞，試驗(yàn)工況及加載情況見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況及加載情況

3.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)量大，而30 mm重冰區(qū)耐張塔大多數(shù)構(gòu)件均由驗(yàn)算覆冰工況控制，本文選取了典型構(gòu)件在驗(yàn)算覆冰工況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。圖3為5TJ431單線圖，圖4為5TJ431應(yīng)變片位置圖。

圖3 5TJ431單線圖

圖4 5TJ431應(yīng)變片位置圖

由表3數(shù)據(jù)可知：(1)加載100%設(shè)計(jì)荷載時(shí)，構(gòu)件理論與實(shí)測(cè)應(yīng)力基本吻合，塔身及塔腿結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)潔，傳力清晰，相比于塔頭，吻合程度更好；(2)曲臂主材及塔腿主材的實(shí)測(cè)值大于理論值，這主要是由于構(gòu)件端部及K節(jié)點(diǎn)的次彎矩引起的，其中K節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)值較理論值增加約9%，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮該因素；(3)各構(gòu)件實(shí)測(cè)應(yīng)力均未超過(guò)材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，表明設(shè)計(jì)是合理而安全的。

由表4數(shù)據(jù)可知：(1)試驗(yàn)超載荷載到120%時(shí)，塔腿主材和塔腿輔助材已經(jīng)超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，而構(gòu)件并沒(méi)有明顯變形及破壞，表明鋼管構(gòu)件具有較好的延性和承載能力；(2)從各加載跳級(jí)和應(yīng)力增加的關(guān)系看，進(jìn)入超載條件下，桿塔變形大部分處于彈性狀態(tài)，部分構(gòu)件漸入塑形狀態(tài)，鐵塔整體處于彈塑性變形。主要表現(xiàn)為，隨著超載級(jí)別的提高，各構(gòu)件實(shí)測(cè)應(yīng)力增加的速率降低，已到達(dá)或接近材料屈服強(qiáng)度的構(gòu)件尤為明顯。

由表5數(shù)據(jù)可知：(1)各掛點(diǎn)位移的理論計(jì)算值普遍大于試驗(yàn)值，主要數(shù)值的偏差約為15%；(2)因?yàn)殇摴芩?gòu)件節(jié)點(diǎn)主要采用法蘭和插板，剛度較強(qiáng)，對(duì)構(gòu)件端約束較大，而理論計(jì)算無(wú)法考慮到這點(diǎn)，因此位移理論計(jì)算值大于試驗(yàn)值是合理的。

表3 典型構(gòu)件應(yīng)變值

表4 典型構(gòu)件超載工況應(yīng)變值

表5 典型工況位移值

4 結(jié)論及建議

(1)重覆冰區(qū)應(yīng)用鋼管塔，其風(fēng)荷載比角鋼塔小、避免組合角鋼的不均勻性、具有更好的動(dòng)力特性、比角鋼構(gòu)件次彎矩應(yīng)力大大減小，受力特性更好。

(2)重冰區(qū)酒杯型鋼管塔K節(jié)點(diǎn)推薦采用相貫焊連接型式，可有效控制節(jié)點(diǎn)位移，適當(dāng)采用加勁肋以減少應(yīng)力集中對(duì)主管局部承載力的影響，考慮次彎矩因素，建議設(shè)計(jì)留有10%～15%的安全裕度。

(3)重冰區(qū)酒杯型鋼管塔整體承載能力強(qiáng)，鋼管構(gòu)件具有較好的安全儲(chǔ)備，在同等安全度情況下在重覆冰區(qū)應(yīng)用鋼管塔有利于增強(qiáng)抵御自然災(zāi)害的能力。

(4)重冰區(qū)酒杯型鋼管塔結(jié)構(gòu)布材簡(jiǎn)潔，傳力清晰，斜材采用插板連接，減小端頭偏心，使得真型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與理論設(shè)計(jì)值吻合性好。

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Design and Test for Cup-type Steel Tubular Tower for 500kV Transmission Line in Heavy Icing Area

XYU Ming-ming,HE Hong-bo
(Hunan Electric Power Design Institute,Changsha 410007,China)

The 5JT431 cup-type angle tower with height 39m and weight 57.14t,is the single-circuit tower for 500kV heavy ice regions. Except the braced panel of ground supports and cross arm,steel tubular are applied in whole tower.The highest strength of tubular steel is Q345. The Full-scale test had successfully passed nine tests under operation conditions including wind and installation and line broken and ice over,which show that the design is accurate,and the node connecting pattern is reasonable,and the whole tower structure is reliable.

transmission line; heavy icing area; cup-type steel tubular tower; full-scale test.

TM75

A

1671-9913(2017)05-0045-05

2016-08-03

徐明鳴(1981- )，男，浙江富陽(yáng)人，研究生，高級(jí)工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。