黃 濤 李布輝 朱 姣 寧帥朋 談 磊

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司建設(shè)分公司, 南京 210011; 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司, 南京 211102)

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊、河網(wǎng)密布,大江大河成了輸電線路工程的天然屏障,涌現(xiàn)了許多大跨越工程,據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)有約300個(gè)大跨越工程?？缭剿慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)大跨越工程的關(guān)鍵點(diǎn),鋼管塔具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、整體剛度大、承載力性能好、塔身風(fēng)阻系數(shù)小、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn),因此大跨越桿塔首選鋼管塔結(jié)構(gòu)形式[1-4]。

鋼管塔常用節(jié)點(diǎn)形式有相貫節(jié)點(diǎn)和插板節(jié)點(diǎn)。插板節(jié)點(diǎn)制作和安裝比較方便,傳力方式和破壞模式不同于相貫節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的平面外連接剛度較小,節(jié)點(diǎn)板與主管連接部位容易發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)[5-6]。相貫節(jié)點(diǎn)連接為主管相通,支管通過(guò)端部相貫線加工后與主管圍焊。該節(jié)點(diǎn)傳力直接、連接剛度大、承載能力高、焊接殘余變形小,但對(duì)加工精度要求比較高[7-8]。舟山一跨(塔高370 m)和舟山二跨(塔高380 m)采用了空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中常用的焊接空心球節(jié)點(diǎn),球節(jié)點(diǎn)具有對(duì)稱、傳力均勻、各向同性的特點(diǎn),可通過(guò)調(diào)整鋼球直徑來(lái)避免鋼管重疊[9-11]。但是球節(jié)點(diǎn)的焊接工作量大,焊后節(jié)點(diǎn)局部殘余應(yīng)力分布不均勻,不利于節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)期疲勞受力。基于鋼管塔現(xiàn)有焊接節(jié)點(diǎn)存在的缺陷和不足,迫切需要提出一種新型節(jié)點(diǎn)形式。鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其良好的塑性、韌性、可焊性及靈活性等優(yōu)點(diǎn),通常作為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型、特大型空間建筑結(jié)構(gòu)體系中。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用在我國(guó)起步較晚,但經(jīng)過(guò)幾十年的積累和發(fā)展,相關(guān)的材料體系和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都比較完善[12-13]。本文以500 kV鳳城—梅里長(zhǎng)江大跨越塔作為工程背景,跨越塔全高385 m,桿塔高度世界第一。通過(guò)開(kāi)展塔頭復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)的選型分析,根據(jù)選型結(jié)果推薦跨越塔下橫擔(dān)與主材連接節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn),鑄鋼材質(zhì)為G20Mn5QT,并開(kāi)展了鑄鋼節(jié)點(diǎn)在大跨越塔中的應(yīng)用分析。

1 工程背景

500 kV鳳城—梅里長(zhǎng)江大跨越工程是江蘇省內(nèi)第五過(guò)江通道,是華東電網(wǎng)500 kV輸變電網(wǎng)架的重要組成部分,建成后可有效提高過(guò)江斷面潮流輸送能力。該工程長(zhǎng)江跨越段線路基本為南北走向,北岸跨越點(diǎn)位于靖江市新橋鎮(zhèn),在江陰大跨越下游約700 m處,南岸跨越點(diǎn)位于江陰市利港鎮(zhèn),在江陰大跨越下游約300 m處。兩岸跨越塔均位于堤外農(nóng)田中,地形平坦開(kāi)闊。跨越處兩岸堤距約為2 190 m,跨越方式為“耐-直-直-耐”,采用“直-直”方式跨越長(zhǎng)江,耐張段全長(zhǎng)4 055 m,跨越檔距2 550 m,檔距分布為“755 m-2 550 m-750 m”。導(dǎo)線采用4×JLHA1/G6A-500/280特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線,地線采用2根OPGW-350。設(shè)計(jì)風(fēng)速為32 m/s,地面粗糙度類別為B類,最大覆冰厚度為10 mm,設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50 a。

跨越塔呼高342.5 m,塔頭高度42.5 m,全高為385 m,屬于超高跨越塔。塔身設(shè)有1次變坡,變坡高度為332 m,采用同塔500 kV雙回路架設(shè)方案,導(dǎo)線采用正三角形排列方式,上橫擔(dān)掛1相導(dǎo)線和1根地線,下橫擔(dān)掛2相導(dǎo)線?？缭剿_(kāi)為75 m,塔頭開(kāi)口寬度為14 m,上橫擔(dān)和下橫擔(dān)長(zhǎng)度均為46 m,跨越塔主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為5 220 t。圖1、圖2所示為跨越塔下橫擔(dān)壓桿-主材連接節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)處空間有10根桿件交匯于此,不同桿件規(guī)格和材質(zhì)如表1所示。

圖1 壓桿節(jié)點(diǎn)Fig.1 The joint of compression members

圖2 節(jié)點(diǎn)空間交匯桿件Fig.2 Intersection members of spatial joints

表1 跨越塔下橫擔(dān)壓桿節(jié)點(diǎn)交匯桿件信息Table 1 Information of intersection members of the jointof bottom-crossarm compression members mm

2 節(jié)點(diǎn)選型

2.1 相貫焊節(jié)點(diǎn)

對(duì)于圖1所示空間節(jié)點(diǎn),若采用常規(guī)相貫焊節(jié)點(diǎn),其正面視圖如圖3所示。該節(jié)點(diǎn)質(zhì)量約為6.3 t,材質(zhì)為Q420,節(jié)點(diǎn)高度為2.0 m。由于跨越塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,且節(jié)點(diǎn)各支管規(guī)格偏大,節(jié)點(diǎn)正面桿件6(φ406×10)和桿件8(φ529×14)之間重疊部分的長(zhǎng)度為225 mm,桿件9(φ529×14)和桿件8(φ529×14)之間重疊部分的長(zhǎng)度為438 mm,核心區(qū)桿件的重疊使得節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力傳遞路徑變得復(fù)雜,局部應(yīng)力集中效應(yīng)明顯。同時(shí),桿件6和桿件9角部的空間相貫線切割非常困難,局部焊縫質(zhì)量很難保證,且焊縫檢測(cè)難度大。

圖3 相貫節(jié)點(diǎn)正面Fig.3 Frontal view of the tubular joint

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14](簡(jiǎn)稱《鋼標(biāo)》)中有關(guān)于鋼管搭接相貫節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造要求及承載力計(jì)算方法。但是對(duì)于超高跨越塔下橫擔(dān)壓桿節(jié)點(diǎn),由于該節(jié)點(diǎn)各桿件的受力都比較大,且長(zhǎng)期處于交變風(fēng)荷載作用下,使得節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜,對(duì)節(jié)點(diǎn)的安全性和可靠度的要求更高,因此下橫擔(dān)連接節(jié)點(diǎn)不推薦采用相貫焊節(jié)點(diǎn)。

2.2 焊接空心球節(jié)點(diǎn)

對(duì)于圖1所示空間節(jié)點(diǎn),若采用焊接球節(jié)點(diǎn),其正面視圖如圖4所示。該節(jié)點(diǎn)質(zhì)量約為8.7 t,材質(zhì)為Q420,節(jié)點(diǎn)高度為2.1 m,節(jié)點(diǎn)交匯桿件與球體外壁采用相貫焊連接,核心球節(jié)點(diǎn)直徑達(dá)到了1.65 m,球殼的厚度為26 mm,屬于超大直徑空間球節(jié)點(diǎn),需要在球體內(nèi)壁布置多道環(huán)向加勁板防止球壁發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象,且環(huán)向加勁板的數(shù)目對(duì)承載力的影響比較大。根據(jù)分析需設(shè)置沿環(huán)向均勻分布的8道內(nèi)肋板,肋板厚度為20 mm,寬度為100 mm,肋板與球節(jié)點(diǎn)內(nèi)壁焊接。試驗(yàn)測(cè)得焊接球節(jié)點(diǎn)的破壞主要發(fā)生在主管與球壁的交界處,為強(qiáng)度破壞。

圖4 焊接球節(jié)點(diǎn)正面Fig.4 Frontal view of the welded spherical joint

由于焊接球節(jié)點(diǎn)的內(nèi)外側(cè)需焊接大量的加勁板,加勁板焊縫均為手動(dòng)焊接,焊接工作量大,內(nèi)部加勁肋需要工人進(jìn)到球腔內(nèi)部焊接,加工難度非常大。焊后需要采取復(fù)雜的熱處理工藝消除球體內(nèi)外側(cè)的焊接殘余應(yīng)力,對(duì)廠家的加工工藝的要求非常高,且鍍鋅過(guò)程中容易在球腔內(nèi)部形成局部積鋅。因此,下橫擔(dān)連接節(jié)點(diǎn)不推薦采用焊接球節(jié)點(diǎn)。

2.3 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)

對(duì)于圖1所示節(jié)點(diǎn),若采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn),其空間構(gòu)造如圖5所示。鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口規(guī)格及管口到中心點(diǎn)距離見(jiàn)表1,各支管管口到中心點(diǎn)的最小距離為0.85 m,到中心點(diǎn)的最大距離為1.25 m,節(jié)點(diǎn)高度為2.45 m,節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為10.1 t。各支管內(nèi)壁與支管軸線的夾角為4°～6°,鑄鋼材質(zhì)為G20Mn5QT,屬于焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼,可承受直接動(dòng)力荷載作用,其物理性能指標(biāo)與普通鋼材一致。

圖5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)三維Fig.5 3D view of the cast steel joint

鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用一體化澆鑄工藝,很好地解決了節(jié)點(diǎn)多個(gè)桿件空間交匯的問(wèn)題,避免了核心區(qū)縱橫交錯(cuò)的焊縫帶來(lái)的加工難度,且節(jié)點(diǎn)核心區(qū)遠(yuǎn)離焊縫影響區(qū)。如圖6所示,節(jié)點(diǎn)各支管管口通過(guò)接頭法蘭、連接螺栓與跨越塔身對(duì)應(yīng)方位的桿件連接。不同形式節(jié)點(diǎn)對(duì)比情況如表2所示,鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量和尺寸大于焊接球節(jié)點(diǎn)和相貫節(jié)點(diǎn),造價(jià)也略高;但是鑄鋼節(jié)點(diǎn)不存在其他兩種節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn),使得節(jié)點(diǎn)和整塔結(jié)構(gòu)更加安全可靠,因此下橫擔(dān)連接節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)。

圖6 鑄鋼節(jié)點(diǎn)正面Fig.6 Frontal view of the cast steel joint

表2 不同形式節(jié)點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparisons of different joint types

3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用

3.1 材料性能參數(shù)

為了充分了解G20Mn5QT的力學(xué)性能參數(shù),開(kāi)展鑄鋼試塊的力學(xué)性能試驗(yàn)。試塊的形狀、尺寸、澆鑄方法和試樣切取位置參照文獻(xiàn)[15]的規(guī)定,力學(xué)試塊與工程用鑄鋼節(jié)點(diǎn)同批次加工。表3中分別列出了G20 Mn5QT材料的低溫沖擊功、強(qiáng)度、斷后延伸率及碳當(dāng)量等參數(shù),材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的屈服臺(tái)階。由表3可知,鑄鋼的實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大于GB/T 11352—2009《一般工程用鑄造碳鋼件》(簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[15]的規(guī)定限值;材料低溫沖擊韌性和斷后伸長(zhǎng)率指標(biāo)明顯高于《規(guī)范》限值,表現(xiàn)出良好的韌性、塑性變形能力和動(dòng)力荷載承受能力;材料的碳當(dāng)量低于《規(guī)范》限值,表現(xiàn)出良好的可焊性。

表3 G20Mn5QT鑄鋼材料性能參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of G20Mn5QT cast steel

3.2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算

由表3可知,G20 Mn5QT材料的斷后伸長(zhǎng)率和強(qiáng)屈比滿足Q355普通鋼材的性能指標(biāo),根據(jù)JGJ/T 395—2017《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[16]要求,可按《鋼標(biāo)》中的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算分析。在荷載設(shè)計(jì)值作用下,節(jié)點(diǎn)應(yīng)力采用有限元法按彈性計(jì)算,其強(qiáng)度應(yīng)按下列公式計(jì)算:

σzs≤βff

(1a)

(1b)

式中:σzs為折算應(yīng)力, MPa;σ1、σ2、σ3分別為計(jì)算點(diǎn)處的第一、第二、第三主應(yīng)力, MPa;βf為折算應(yīng)力的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù), 當(dāng)節(jié)點(diǎn)各主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力時(shí),βf=1.2; 當(dāng)節(jié)點(diǎn)各主應(yīng)力全部為拉應(yīng)力時(shí),βf=1.0, 且最大主應(yīng)力應(yīng)滿足σ1≤1.1f; 其他情況時(shí),βf=1.1。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口與法蘭板采用環(huán)形對(duì)接焊縫連接,當(dāng)該對(duì)接焊縫承受軸心拉力或軸心壓力作用時(shí),其強(qiáng)度應(yīng)按下列公式計(jì)算:

(2a)

(2b)

3.3 節(jié)點(diǎn)有限元分析

3.3.1分析模型

鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析采用10結(jié)點(diǎn)二次四面體C3D10實(shí)體單元,該單元精確度高,可模擬任意幾何形狀的截面,具有較強(qiáng)的適用性。在鑄鋼節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件連接處、內(nèi)外表面拐角處等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,實(shí)體單元的邊長(zhǎng)取20 mm,小于該處最薄厚度,有限元模型如圖7所示。鑄鋼本構(gòu)關(guān)系采用三折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型模擬(圖8),強(qiáng)化階段切線模量Et取0.2E(E為彈性模量),屈服強(qiáng)度f(wàn)y和抗拉強(qiáng)度f(wàn)u采用表3中的實(shí)測(cè)值。鑄鋼材料各向同性,且復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則采用von Mises屈服準(zhǔn)則。

圖7 鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.7 Finite element model of cast steel joint

圖8 鑄鋼材料本構(gòu)曲線Fig.8 The material constitutive curve of cast steel

根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的工作狀況對(duì)有限元模型施加合理的位移邊界條件和受力邊界條件,對(duì)2號(hào)支管管口施加軸向位移約束及側(cè)向位移約束,即限制2號(hào)管口x、y、z方向的位移;在其余支管管口分別將各工況下軸向力轉(zhuǎn)化為均布面荷載進(jìn)行施加,并按荷載工況同步施加各支管作用力。根據(jù)跨越塔整體結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果:45°大風(fēng)工況控制桿件1、桿件2和桿件4;斷線工況控制桿件3、桿件7～桿件10;90°大風(fēng)工況控制桿件5;起吊工況控制桿件6。表4中分別列出了上述4種工況下節(jié)點(diǎn)各支管的設(shè)計(jì)荷載。

表4 鑄鋼節(jié)點(diǎn)分析工況Table 4 Analytical load cases of cast steel joints

3.3.2分析結(jié)果

不同工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖9所示?？梢钥闯?在45°大風(fēng)工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為93.13 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.59 mm;在90°大風(fēng)工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為80.28 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.51 mm;在斷線工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為112.34 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.62 mm;在起吊工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為76.92 MPa,節(jié)點(diǎn)最大變形為0.49 mm。在45°大風(fēng)和90°大風(fēng)工況下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔身斜材與主管相貫交匯部位,斷線和起吊工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿件3(橫擔(dān)壓桿)的管口部位。由式(2)和鑄鋼實(shí)測(cè)強(qiáng)度可知,節(jié)點(diǎn)的折算應(yīng)力σzs為268.4 MPa,上述4種工況下鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)力均小于折算應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)處于彈性受力狀態(tài)。

a—45°大風(fēng)工況; b—90°大風(fēng)工況; c—斷線工況; d—安裝工況。圖9 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布 MPaFig.9 Stress distribution of the cast steel tubular joint

3.3.3極限承載力

根據(jù)CECS 235∶2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[17]要求,采用彈塑性有限元分析結(jié)果確定鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)值時(shí),其值不應(yīng)大于極限承載力的1/3,采用有限元方法求得上述4種工況下節(jié)點(diǎn)的極限承載力。加載過(guò)程中,對(duì)各支管施加的軸力按照設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行等比例放大,直到節(jié)點(diǎn)進(jìn)入極限狀態(tài)。如表5所示,45°大風(fēng)和90°大風(fēng)工況下,節(jié)點(diǎn)極限承載力分別為91,87 MN,破壞部位均為2號(hào)支管管口;斷線和起吊工況下,節(jié)點(diǎn)極限承載力分別為52,51 MN,破壞部位均為3號(hào)支管管口。4種工況下的設(shè)計(jì)承載力分別為30.333,29,17.333,17 MN,設(shè)計(jì)荷載F0與設(shè)計(jì)承載力的F1的比值分別為33.6%、30.4%、31.5%和21.9%,說(shuō)明該鑄鋼節(jié)點(diǎn)是安全可靠的。

表5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)極限承載力和設(shè)計(jì)承載力Table 5 Ultimate bearing capacity and design bearingcapacity of the cast steel joint

3.4 管口連接法蘭

鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口設(shè)有剛性法蘭,剛性法蘭具有很好的連接剛度和承載力性能,在重要工程的主要受力構(gòu)件連接中應(yīng)用較為普遍。法蘭受壓時(shí),主管壓力由管壁和法蘭板之間的環(huán)向連接焊縫傳遞;法蘭受拉時(shí),主管拉力由連接螺栓傳遞,法蘭板厚度、加勁板尺寸由受拉螺栓所在區(qū)格控制。如圖10所示,鑄鋼節(jié)點(diǎn)各支管管口與法蘭板通過(guò)環(huán)向T接焊縫連接,法蘭盤(pán)內(nèi)徑小于支管內(nèi)徑,并設(shè)置沿環(huán)向均勻分布的加勁板。管口與法蘭板連接焊縫、加勁板連接焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí),法蘭板和加勁板的材質(zhì)為Q355,連接螺栓材質(zhì)為8.8級(jí)。

圖10 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)連接法蘭Fig.10 Connection flanges of the cast steel tubular joint

4 結(jié) 論

以500 kV鳳城—梅里長(zhǎng)江大跨越塔作為工程背景,開(kāi)展跨越塔頭下橫擔(dān)-主材連接節(jié)點(diǎn)選型,并開(kāi)展了節(jié)點(diǎn)應(yīng)用分析,形成主要結(jié)論如下:

1)比選了相貫焊節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)和鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn),其中鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)采用整體澆鑄技術(shù),有效解決了節(jié)點(diǎn)多根桿件空間交匯的問(wèn)題,避免了復(fù)雜的焊接工藝,且節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、應(yīng)力分布合理。因此,跨越塔下橫擔(dān)-主材連接節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)。

2)鑄鋼節(jié)點(diǎn)同批次試件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果顯示:G20Mn5QT鑄鋼材料具有良好的韌性、塑性變形能力和可焊性,適合在超高大跨越鋼管塔中應(yīng)用。

3)鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果顯示:在設(shè)計(jì)荷載作用下,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大應(yīng)力為112.34 MPa,最大變形為0.62 mm,節(jié)點(diǎn)處于彈性受力狀態(tài)。

4)計(jì)算得到45°大風(fēng)和90°工況下,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力分別為30 333 kN和29 000 kN;斷線和起吊工況下,設(shè)計(jì)承載力分別為17 333 kN和17 000 kN,F0/F1的最大值為33.6%,說(shuō)明該鑄鋼節(jié)點(diǎn)是安全可靠的。