張金鋒 張?zhí)熘?楊 進 陳 磊 張 露

(1.國網安徽省電力有限公司， 合肥 230011； 2.安徽華電工程咨詢設計有限公司， 合肥 230022；3.北京航空航天大學合肥創(chuàng)新研究院， 合肥 230012； 4.西南交通大學機械工程學院， 成都 610031)

輸電鐵塔作為輸電線路的支承結構，其安全性直接關系著我國電網的安全穩(wěn)定。由于其所處環(huán)境復雜，大風[1]、冰凍[2]和地震[3]一直是學者研究輸電鐵塔安全性的重要考慮因素，研究成果較為成熟。而隨著電力工業(yè)和鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)保意識的加強，耐候鋼由于其獨特的耐腐蝕性能成為了解決傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅防腐工藝所帶來的環(huán)境問題的有效途徑，但目前的相關研究較少。楊風利等進行了240 h不同模擬環(huán)境下的耐候鋼試樣的耐蝕試驗，結果表明耐候鋼的耐蝕性能優(yōu)于普通碳鋼，為耐候鋼在鐵塔中的應用提供了依據(jù)[4-5]。李正等介紹了耐候冷彎角鋼應用于輸電直線塔的設計和加工方法[6]。韓軍科等對1基耐候冷彎型鋼直線塔進行了真型試驗研究，研究結果表明耐候鋼直線塔滿足使用要求[7]。Yao等研究了風壓影響下耐候鋼輸電塔的局部失穩(wěn)問題，為耐候鋼輸電塔的設計提供了參考[8]。目前，耐候鋼的應用研究多集中在直線塔，而對耐候鋼在轉角塔上的應用的相關研究較少。

本文以安徽某設計有限公司設計的220 kV電壓等級的SJ2-18型轉角塔為例，展開耐候冷彎型鋼轉角塔真型試驗研究，分析各種工況下耐候鋼轉角塔的剛度和強度，以驗證耐候鋼轉角塔的安全性，為耐候鋼在轉角塔中的應用推廣提供參考。

1 SJ2-18型轉角塔的結構

SJ2-18型轉角塔為220 kV雙回路輸電塔，以GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》[9]、DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》[10]、GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[11]等為設計依據(jù)，全塔采用耐候鋼材料，結構如圖1所示。轉角塔的設計呼高為18 m，全高為35.5 m，導線型號為JL/G1A-400/35，地線型號為JLB20A-150，最大設計風速為25 m/s，覆冰厚度為10 mm，水平檔距為450 m，垂直檔距為600 m，轉角度數(shù)為20°～40°。轉角塔的主材、斜材和輔材均采用冷彎角鋼構件，主材材質為Q415NH，斜材和輔材材質為Q415NH和Q355NH。

圖1 SJ2-18型轉角塔結構 mFig.1 Structure of the SJ2-18 deviation angle tower

2 真型試驗

2.1 試驗方法

本次SJ2-18型轉角塔真型驗證試驗在中國電力科學研究院試驗場完成，試驗現(xiàn)場如圖2所示。試驗鐵塔在試驗場基礎上被組裝，加荷點通過連有測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)自動加荷系統(tǒng)。位移測量采用萊卡全站儀，應變測量采用靜態(tài)應變數(shù)據(jù)采集儀。

圖2 SJ2-18型轉角塔真型試驗Fig.2 The full-scale test of the SJ2-18 deviation angle tower

2.2 試驗工況

參考DL/T 5154—2012[10]，選取大風、斷線、覆冰以及安裝8種工況進行SJ2-18轉角試驗鐵塔真型試驗。8種工況如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

載荷值根據(jù)DL/T 5154—2012[10]進行計算，實際加載時根據(jù)加荷繩的傾斜角將各工況的設計荷載值換算為對應的加荷鋼絲繩的試驗荷載。工況1～7的荷載按0%—50%—75%—90%—95%—100%的試驗荷載分級加載。工況8為超載工況，先按0%—50%—75%—90%—95%—100%的試驗荷載分級加載后，再以每級5%的試驗荷載遞增，直至試驗鐵塔破壞。

2.3 測量方法及測點布置

結合SJ2-18型轉角試驗鐵塔的試驗工況，試驗觀測點設置在塔身變坡處、塔腿處和導線橫擔等關鍵部位，其中位移觀測點12個，為u1～u12，應變測點25個，為s1～s25，如圖3所示。位移和應變的測試未考慮鐵塔自重的影響。

圖3 SJ2-18型轉角塔位移及應變測點布置Fig.3 Arrangements of displacement and strain measurement points on the SJ2-18 deviation angle tower

3 試驗結果及分析

3.1 位移試驗結果

各試驗工況在100%試驗載荷加載時，SJ2-18型轉角塔所有觀測點的位移值如圖4所示。由圖4a可知：大風方向和覆冰情況對轉角塔的橫向位移影響最大；所有觀測點的最大橫向位移均出現(xiàn)在工況6條件下，其中觀測點u9的橫向位移最大，為526 mm；斷線情況和轉角度數(shù)對轉角塔的橫向位移影響也較為明顯。由圖4b可知：轉角塔導線橫擔的縱向位移受斷線情況的影響最大，轉角塔塔身的縱向位移受安裝工況的影響較大；工況2下觀測點u9的縱向位移最大，為660 mm；轉角度數(shù)對轉角塔縱向位移影響也十分明顯；風載荷對轉角塔縱向位移影響很小。由圖4c可知：轉角塔的垂向位移受90°大風的影響最大，這是由于90°大風使塔身產生了橫向彎曲；除了觀測點u4外，其余觀測點的最大垂向位移均出現(xiàn)在工況6下，其中觀測點u9的垂向位移最大，為-220 mm；斷線情況對轉角塔的垂向位移影響也較為明顯；其他條件對轉角塔的垂向位移的影響很小。

a—橫向位移； b—縱向位移； c—垂向位移。位移值正負號表示位移的方向。圖4 SJ2-18型轉角塔在各工況下100%試驗載荷時的位移Fig.4 Displacement of the SJ2-18 deviation angle tower subjected to the 100% test load under various working conditions

3.2 應變試驗結果

試驗測點得到的應變值為桿件軸向平均應變，桿件軸向力試驗值Ns由式(1)計算得到：

Ns=EεA

(1)

式中：ε為實測應變值；E為鋼材的彈性模量，取206 GPa；A為桿件橫截面積。

參考DL/T 5154—2012[10]，考慮受壓桿件穩(wěn)定性的影響，桿件軸心壓力設計值N由式(2)計算得到：

N≤φAmNf

(2)

式中：φ為軸心受壓桿件穩(wěn)定性系數(shù);mN為壓桿穩(wěn)定強度折減系數(shù);f為鋼材的設計強度。

SJ2-18型轉角塔金屬材料性能試驗結果如表2所示?？芍恨D角塔冷彎型鋼所采用的兩種鋼材的屈服極限均超過500 MPa，達到使用要求。參考GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》[12]，冷彎角鋼的抗力分項系數(shù)取1.165，即鋼材Q415NH的設計強度值f=356 MPa，鋼材Q355NH設計強度值f=305 MPa。

表2 SJ2-18型轉角塔金屬材料性能試驗結果Table 2 Mechanical property test results of the SJ2-18 deviation angle tower

各試驗工況在100%試驗載荷加載時，SJ2-18型轉角塔主材和輔材應變測點測量得到的最大應變值、對應應變測點編號、軸向力試驗值及軸向力設計值如表3所示?？芍?轉角塔塔身主材、塔身斜材和塔身輔材的最大應變值分別出現(xiàn)在工況8、工況3和工況3條件下，分別由s21、s14和s15應變測點測得，其值分別為-1.505×10-3、-8.0×10-4和-4.83×10-4；橫擔主材最大應變值出現(xiàn)在工況3試驗條件下，由s8應變測點測得，為-7.29×10-4；未考慮轉角塔的重力作用時，各工況下桿件軸向力試驗值Ns均小于設計值N。

表3 SJ2-18型轉角塔各工況下最大應變、應力測試結果Table 3 Test results for the maximum strain and stress of the SJ2-18 deviation angle tower under various working conditions

應變值ε中，“+”表示拉應變，“-”表示壓應變；軸向力Ns中“+”表示拉力，“-”表示壓力。

3.3 超載破壞測試結果

SJ2-18型轉角塔在工況8分級載荷加載至轉角塔被破壞過程中的觀測點u9的位移值變化如圖5所示，觀測點s21的應變和軸向力變化如圖6所示。由圖5、圖6可知：隨著載荷級別從50%增加至110%試驗載荷時，觀測點u9三個方向的位移和觀測點s21的應變、軸向力均呈線性增大，說明轉角塔處于彈性變形階段，結構設計合理；當載荷級別超過110%試驗載荷時，觀測點u9三個方向的位移和觀測點s21的應變、軸向力的增大呈現(xiàn)非線性，說明轉角塔處于彈塑性變形階段；當載荷級別超過110%試驗載荷時，觀測點s21的軸向力超過Ns=1 755 kN，但轉角塔未發(fā)生傾覆破壞，轉角塔的整體強度保持較好，安全儲備較好；當載荷級別增大到140%試驗載荷時試驗終止，轉角塔支腿4(俯視圖東南方向的支腿)的主材與塔腳板連接螺栓全部剪切破壞，如圖7所示。

圖5 工況8分級載荷下觀測點u9的位移Fig.5 Displacement of point u9 under graded loads of condition 8

圖6 工況8分級載荷下觀測點s21的應變和軸向力Fig.6 Strain and axial forces of point s21 under graded loads of working condition 8

a—轉角塔支腿連接點； b—剪斷螺栓。圖7 SJ2-18型轉角塔在工況8下螺栓剪切破壞Fig.7 Shear failure of the bolts of the deviation angle tower SJ2-18 under condition 8

4 結束語

對SJ2-18型轉角塔進行了8種工況100%試驗載荷的真型試驗，試驗結果表明采用耐候冷彎型鋼制造的SJ2-18型轉角塔滿足正常使用要求；對SJ2-18型轉角塔進行了工況8超載破壞試驗，試驗結果表明結構設計合理，強度安全可靠，安全儲備較好；研究結果為耐候冷彎型鋼在轉角塔中的應用提供了試驗依據(jù)，有利于我國特高壓行業(yè)的發(fā)展。