1 000 kV特高压耐张钢管塔横担结构选材分析

2012-02-13王智飞默增禄任宗栋李士锋黄璜张遨宇

电力建设 2012年4期

王智飞，默增禄，任宗栋，李士锋，黄璜，张遨宇

(国核电力规划设计研究院，北京市，100032)

0 引言

大容量和长距离输电的需求，促进了电网技术的不断进步，特高压电网在我国应运而生。正在建设的淮南—皖南—浙北—沪西1 000 kV交流输电工程(皖电东送)是国内首条特高压同塔双回输电工程，由于铁塔结构承受荷载较大，利用角钢材料已经无法满足承载力的要求。钢管塔具有构件小、刚度大、结构简洁、传力清晰等优点，能充分发挥材料的承载性能，因此塔身主材、斜材等主要受力构件可优先选用钢管构件［1-8］。横担为特高压杆塔的重要组成部分，其上、下主材和斜材的受力和计算长度值分别小于塔身主材和斜材。本文以皖电东送线路工程钢管塔为例，研究特高压耐张杆塔导线横担的选材原则，为今后特高压杆塔设计提供参考。

1 钢管塔设计参数

皖电东送线路工程同塔双回路SJ274钢管塔设计条件为:最大风速27 m/s，导线覆冰厚度10 mm，水平档距500 m，垂直档距650 m，导线为8×JL/G1A－630/45－45/7，地线为1×LBGJ－240－20AC，转角度数为30°～40°，结构重要系数为1.1。杆塔采用鸭嘴型横担，沿塔身向外收口［4］，各横担尺寸见表1。

表1 横担外形尺寸Tab.1 Size of cross arm

2 横担选材分析

2.1 横担主材

根据杆塔内力计算结果，横担上部主材承受拉力900～1 200 kN，下部主材承受压力750～1 400 kN。横担上部主材采用单肢角钢或钢管均能满足选材要求，横担下部受压控制主材计算长度达3～4 m，单肢角钢已不能满足选材要求，若采用双拼角钢，则节点连接构造及挂点设置较为复杂，因此推荐耐张塔横担下部主材选用钢管。本文对横担上、下主材选用钢管(方案I)和上主材选用角钢、下主材选用钢管(方案Ⅱ)这2种方案进行计算分析，结果见表2。

表2 横担主材选材方案Tab.2 Selection scheme of main-legs for cross arm

与方案I相比，方案Ⅱ上部主材最大控制拉力增大5% ～9%，下部主材最大控制压力减小6% ～12%，致使方案Ⅱ下部主材钢管选材规格降1～2级。经分析杆件截面模量的变化是引起上、下主材内力重分配的主要原因。表3给出2种方案横担主材截面模量比值和质量比值。由表3可知:方案Ⅱ横担上部主材截面模量较方案I增大15% ～30%，横担下部主材截面模量较方案I减小10% ～25%;2种方案的质量指标基本相当，并无明显变化。

表3 横担主材截面模量及质量比值Tab.3 Ratio of section modulus and mass of cross arm's main-legs

经对比分析，2种方案的横担风荷载变化量均较小，与整个杆塔风荷载相比可忽略不计;考虑到角钢单价优势明显，若上部主材采用角钢，其与塔身及横担下部主材的连接方便且构造简单。

2.2 横担正面斜材

对横担正面斜材按照钢管和角钢分别优化选材，经计算各横担相同位置的选材规格基本相同，主要是由长细比控制选材，钢管受最小规格限制，杆件规格均为φ89 mm×4 mm或φ102 mm×4 mm;正面斜材采用角钢时塔质量比采用钢管的大0.2 t左右，约占总塔质量的0.07%。

横担正面垂直方向杆件投影面积如表4所示。由表4可知:正面斜材采用角钢的投影面积仅比钢管大1%左右;横担正面斜材采用角钢或钢管对塔身风荷载影响并不大。同时，该部位采用角钢时的加工及安装难度与采用钢管相当。考虑立塔后整体外观效果，推荐横担正面斜材采用钢管。

表4 横担正面垂直方向杆件投影面积Tab.4 Vertical projected area of cross arm m2

2.3 上、下平面交叉斜材

横担上、下平面交叉斜材按照角钢和钢管分别选材，计算结果表明:角钢选材范围在└100 mm×7 mm至└160 mm×10 mm之间，长细比为110～180;钢管选材受微风振动长细比限值影响，范围为φ89 mm×4 mm至 φ159 mm ×4 mm，长细比为90～130。

表5为各横担上、下平面斜材选用钢管和角钢质量之比。经计算，选用钢管的理论计算质量合计为4.9 t，而考虑钢管连接插头、连接板及连接螺栓等部件后的施工图质量合计为7.1 t，质量增幅40%以上。表6为不同选材结果的施工图质量统计，可见横担上、下平面斜材选用角钢其质量较钢管增加1.3 t，对塔质量影响约1%，对塔质量整体影响并不明显。

综上，横担上、下平面交叉斜材选材的钢管均为小直径的无缝钢管，单价较高，与角钢相比存在明显竞价劣势，由其塔质量引起的经济优势将大为减小。对于钢管构件，无论是相贯连接或插板连接，都存在较大的焊接工作量，焊缝质量直接影响到铁塔结构的安全可靠［5-6，9］，尤其影响直接承受动荷载的横担结构的安全，并且横担交叉斜材采用钢管拼装难度较大，而选用角钢则不存在类似问题。

2.4 横担上、下平面交叉斜材弯曲挠度

交叉斜材在自重荷载作用下，产生弯曲变形，称为“塌腰”，斜材中点出现最大挠曲变形。梁的挠曲线方程［10］为

式中:x为变形前梁的轴线方向;ν为梁横截面形心沿梁轴线垂直方向的挠度;M(x)为梁自重弯矩;EI为梁截面弯曲模量。

横担交叉斜材可近似为简支梁结构形式。由简支梁边界条件，对挠曲方程二次积分，可得梁中点最大挠度为

式中:q为梁自重沿长度方向的均布荷载;l为梁跨长。

将交叉斜材分别选用角钢与钢管，计算其最大弯曲挠度，表7为横担第1组交叉斜材最大挠度占杆件总长百分比。

由表7可知，斜材选用角钢或钢管的最大挠度值为杆件长度的0.01% ～0.39%;角钢与钢管挠度比为0.50～1.36，仅左下与右下横担处比值达3.9左右，但最大挠度绝对值不到3 mm。由此可见，交叉斜材选用角钢或钢管其挠度绝对值均较小，采用角钢的弯曲挠度并不都大于钢管，部分杆件的挠度变形要小于钢管。