输电杆塔典型对接焊接接头设计分析

2014-10-15黎兴文刘志全

机电信息 2014年18期

黎兴文刘志全

（广东安恒铁塔钢构有限公司，广东佛山528000）

0 引言

近年来，输电线路杆塔越来越多地采用钢管塔和钢管杆，因为杆塔外负荷的增大，角钢塔也更多采用双拼和四拼角钢主材，因此，焊接连接节点在杆塔结构中的应用越来越多。不少设计人员对焊缝的设计存在一些错误的认识，在工程设计中盲目作出决定，从而对工程成本与质量造成了不良影响。为此，本文对杆塔结构中所使用的典型对接焊接接头进行分析和设计，帮助相关技术人员正确认识和理解，从而使其在工程建设实践中正确使用，保证质量、节约成本。

1 接头类型和焊缝形式

日常工作中，经常可以看到一些设计人员盲目地将杆塔结构中的焊缝质量等级定为一级、二级，而不去考虑焊接节点中的接头类型和采用的焊缝形式，另外，很多人员对接头类型和焊缝形式的概念也不清楚。

输电杆塔结构的焊接连接中使用较多的接头类型为对接接头、T形接头、十字接头、搭接接头，另外也少量使用到角接接头，这些接头类型简图如图1所示。

图1 接头类型

《焊接术语》［1］把对接接头定义为“两件表面构成大于或等于135°，小于或等于180°夹角的接头”。

焊缝的基本形式为对接焊缝和角焊缝，文献［1］把对接焊缝定义为“在焊件的坡口面或一零件的坡口面与另一零件表面间焊接的焊缝”，而角焊缝则为“沿两直交或近直交零件的交线所焊接的焊缝”。

杆塔结构中的焊缝形式主要有对接焊缝、角焊缝、对接与角接组合焊缝3种，如图2所示。在《钢结构设计规范》［2］等相关标准中，焊缝的强度计算分为对接焊缝和角焊缝2种，对接与角接组合焊缝则根据其是否焊透而有不同的计算方式，全焊透的作为对接焊缝对待，部分焊透的则看作角焊缝。

图2 杆塔结构常用焊缝形式

值得注意的是，并非对接接头就只能采用对接焊缝连接，也并非只有角接接头才用角焊缝连接，虽然接头类型不同，但接头的焊缝形式是可以相同的。

对接接头的焊缝形式一般有以下3种，如图3所示，如接头两构件厚度相同则采用对接焊缝，接头两构件厚度不同则可用角焊缝或对接与角接组合焊缝连接。

图3 对接接头焊缝形式

2 典型对接接头焊缝设计分析

杆塔结构中常见的属于对接接头的焊接节点有钢管的环向对接、带颈法兰与钢管的环向对接、角钢的横向对接（焊缝方向与角钢轴向垂直）、由钢板或钢带制作成钢管时的纵向对接或螺旋缝对接、角钢与钢板对接、钢板与钢板对接等，节点示例如图4所示。

图4 杆塔结构典型对接接头

下面对杆塔中这些典型的对接焊接接头节点进行分析和设计。

2．1 钢管的环向对接

一般情况下，主要承受轴力的桁架结构中的钢管、型钢构件或主要承受弯矩的钢管杆均应尽可能避免采用与轴向垂直的横向对接焊接，尽管设计规范允许环向对接。但钢管塔变坡节点的环向对接、带颈法兰与钢管的环向对接除外，这些连接中，焊缝两边构件厚度基本相同，焊缝的受力方向与焊缝的长度方向垂直（或接近垂直），钢管的受力完全通过焊缝来传递，虽然钢管在实际结构中要进行受压稳定计算（钢管轴压稳定系数一般小于0．9［3］）而使钢管的实际承载力比最大承载力有所减小，但从安全角度考虑，此类焊缝的承载能力不应低于钢管的承载能力。因此，其须作为全焊透的等强对接焊缝，质量等级不应低于二级，且钢管塔变坡节点会另外增加一些加劲板以提高结构安全性。

《架空输电线路钢管塔设计技术规定》［4］规定“钢管的环向对接焊应为全焊透的等强度对接焊，其质量等级不应低于二级”。《输变电钢管结构制造技术条件》［5］则规定环向对接焊缝为一级焊缝。由此可知，制造标准比设计标准的要求更高。

2．2 角钢的横向对接

角钢拼接可以提高材料利用率，节约钢材，减少资源浪费，从理论上说，是一种经济有效的方法。但现实中，角钢拼接不但没有得到推广，而且恰好相反，一直应用极少，其主要受以下因素的限制：（1）大家一直以来对焊缝的可靠性存在过度的担忧和顾虑，即使焊缝经过内外部检测证实质量满足要求；（2）对角钢进行拼接虽然可以很好地节约钢材，减少浪费，但这样的方式反而落得以次充好、偷工减料的嫌疑，使各方都有所顾忌而不敢应用；（3）除了可靠性方面的担忧外，角钢拼接可能会影响美观。

1990版《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［6］规定“单角钢的拼接，如能保证连接焊缝强度与钢材强度相等时可仅采用对接焊缝进行拼接”。但2002版《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［7］及《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》［8］对角钢的拼接则没有了相应的条文规定。弯曲角度较大的角钢如图5所示，角钢拉伸区域的边厚度会大幅减少，从而严重削弱角钢的承载能力，这种情况下，角钢通常采用割豁再用相同材料填板进行横向焊接的方式处理。这种节点主要应用于铁塔结构的变坡节点处。该连接与钢管环向对接相同，焊缝两边构件厚度相同，焊缝的受力方向与焊缝的长度方向垂直（或接近垂直），杆件的受力完全通过焊缝来传递，因此须作为全焊透的等强对接焊缝，质量等级不应低于二级。

图5 弯曲角钢

《输电线路铁塔制造技术条件》［9］对上述焊缝同样规定为质量等级不应低于二级。

2．3 焊接钢管制管时的纵向对接

根据对接接头的定义，圆截面直缝或螺旋缝钢管和边数为8及以上的多边形截面直缝钢管属于对接接头。对于钢管杆常用的套接（插接）连接的外套管的纵向对接焊缝，如图6所示，因外套接头处的焊缝受力较大，出于偏安全角度考虑，《架空送电线路钢管杆设计技术规定》［10］规定1．5倍多边形外套管内对边尺寸加200mm范围内的纵向焊缝必须100%焊透并施行100%超声波检查或100%磁粉探伤，但没规定焊缝最终质量等级。

图6 套接钢管杆

按照上述设计规范，要求焊缝为100%焊透但没规定焊缝质量等级，这样的焊缝质量等级依然为三级，而全焊透三级焊缝的强度为母材强度的85%，因为虽然此焊缝的受力较大，但还没达到与母材等强的要求。而文献［5］、［11］则对此焊缝均规定为全焊透一级焊缝。由此可知，制造标准比设计标准的要求高。

对于非套接连接的钢管的纵向对接焊缝，焊缝的作用主要是连接钢管成型后两边的板边缘，使钢管保持稳定的封闭式截面，焊缝实际受力较小，不须计算强度，这种焊缝实际上属于构造焊缝（或称非承载焊缝、联系焊缝），因此，此焊缝可作为不要求焊透的纵向对接焊缝，质量等级为三级。文献［11］、［12］规定此焊缝的焊接有效厚度不小于母材厚度的60%，此规定经10多年的工程应用和实际运行已被验证为安全可靠的。但文献［5］对此焊缝要求有所提高，要求为全焊透。螺旋缝钢管在输电杆塔中极少应用，螺旋缝钢管的焊缝其作用与非套接连接的钢管的纵向对接焊缝的作用相同，因此这种焊缝也属于构造焊缝。

2．4 角钢与钢板对接

输电杆塔中常见的角钢与钢板对接接头是斜材连接节点板与角钢主材的连接，如图7所示，节点板要同时满足螺栓孔壁承压强度、受拉强度、稳定性的要求。

图7 节点板有效宽度

如图7所示的连接节点板，多数国家采用有效宽度法计算承载力，试验认为斜材轴力N通过连接件在节点板内按照一定的应力扩散角度θ（取30°）传至连接件端部与N相垂直的一定宽度范围，这一宽度称为有效宽度be［2］。节点板的强度除应满足螺栓孔壁承压外，还应满足公式（1）：

式中，be为节点板的有效净宽度，应减去孔径（mm）；t为节点板厚度（mm）；N为作用于节点板的力（N）；f为钢材强度设计值（N／mm2）。

文献［2］、［4］、［8］规定节点板边缘与斜材轴线的夹角不应小于15°，即节点板要满足稳定性方面的要求。因此，节点板的实际宽度b、有效宽度be、满足稳定所需的板宽度三者的数值决定了节点板和角钢对接焊缝的设计要求。当节点板满足稳定所需的板宽度是节点板有效宽度的1．18倍以下或节点板的实际宽度小于等于节点板的有效宽度时，节点板和角钢的对接焊缝应与母材等强，焊缝为全焊透，质量等级不应低于二级；当节点板满足稳定所需的板宽度是节点板有效宽度的1．18倍及以上时，节点板与角钢的连接焊缝可按全焊透三级焊缝考虑。

当斜材与角钢主材的夹角为90°时，节点板满足稳定所需的板宽度最小，随着斜材与角钢主材的夹角变小节点板宽度将变大。当斜材与角钢主材的夹角不是90°时，节点板与角钢主材的焊缝相对斜材来说是斜焊缝，文献［2］、［4］、［8］均规定“当承受轴心力的板件用斜焊缝对接，焊缝与作用力间的夹角α符合tanα≤1．5时，其强度可不计算”，即α≤56．3°时，焊缝可为三级焊缝。

2．5 钢板与钢板对接

钢板与钢板的对接接头在输电杆塔中极少应用，但也有例外，如图8所示的节点板，节点板由3个空间不共面的平面组成，通常需要割开后再焊接起来。

图8 节点板对接接头

钢板与钢板对接的焊缝设计方法和角钢与钢板的对接相同。当焊缝方向与作用力方向垂直或接近垂直时，如须与母材等强度，焊缝为不低于二级的全焊透焊缝；当焊缝长度与作用力间的夹角α≤56．3°时，焊缝可为三级焊缝；当焊缝只有不到50%的长度处于应力扩散角范围内时，焊缝可为三级焊缝。文献［5］规定钢板的对接焊缝为全焊透二级焊缝，文献［9］规定零件经豁口、制弯后再补焊的焊缝质量等级不应低于二级，这样的规定都是从偏安全的角度去考虑而制定的。

3 建议

很多设计人员在设计图纸中对焊缝提出一些不合理的盲目要求，如规定“挂点关键部位处焊缝焊接等级为一级，其余均为二级”，建议相关设计人员和焊接技术人员认真研读《钢结构设计规范》、《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》等设计规范的相关规定，充分准确理解并正确运用。由文中对比分析可知，杆塔相关制造规范对某些焊缝的质量等级要求过高（比设计规范的要求更高），无形中加大了施工制造的难度，造成了更多的资源浪费。建议更多地参考设计规范的规定来制定标准要求，甚至可以适当取消部分规定，把质量要求制定的职责归还于设计，验收时直接根据设计要求执行。