±800kV特高压灵绍线JC30201Z重冰区塔设计与真型试验研究

2015-10-31张小勇

建材与装饰 2015年23期

关键词：双拼主材角钢

张小勇

（福建永福工程顾问有限公司）

±800kV特高压灵绍线JC30201Z重冰区塔设计与真型试验研究

张小勇

（福建永福工程顾问有限公司）

针对±800kV特高压灵绍线双拼主材采用旋转90°的新型组合型式，选择JC30201Z重冰区转角塔开展设计与真型试验研究，验证此方案的可靠性，保证线路安全运行。试验结果表明：双拼角钢新型组合型式承载力良好，试验值与设计值吻合性较好；新型组合型式也存在两肢角钢受力不均匀现象，但整体不均匀度大为降低；为旋转90°的新型组合角钢截面型式的规模推广奠定基础。

特高压；重冰区；双拼主材；新型组合型式；真型试验

引言

灵州-绍兴±800kV特高压直流输电工程是我国“十二五”重点输变电工程项目之一，是我国首次接入750kV交流电网的±800kV特高压直流输电工程，是国家“西电东送”北通道的重要组成部分。本工程双拼主材采用旋转90°的新型组合型式，为验证此方案的可靠性和保证线路安全运行，选择JC30201Z重冰区转角塔开展真型试验，本文结合真型试验结果，分析其杆塔设计及试验情况。

1　铁塔设计概况

JC30201Z塔是该输电线路工程20mm重冰区中较典型的耐张塔，主材为双拼组合角钢，采用旋转90°的新型组合型式，其安全可靠性、设计合理性对于在工程推广应用具有重要意义。因此，在工程应用前，对该塔型做了较为全面的设计分析和重要工况的试验验证。

1.1铁塔基本参数

铁塔的设计基本风速为30m/s，设计覆冰20mm，导线采用6×1250/100大截面导线，转角度数为0～20°，试验塔全高67m，塔重128.7t，铁塔外形如图1所示。

图1　JC30201Z铁塔一览图

1.2铁塔设计优化

从近年来工程设计和铁塔试验情况看，双组合角钢主材传统布置型式的试验承载力与理论设计偏差较大，内外角钢受力很不均匀，曾多次出现受压双组合角钢主材未能达到理论破坏荷载就发生了失稳屈曲破坏的情况，尤其是塔腿主材下端更是如此。针对上述情况，本试验塔优化了双拼角钢的组合型式并结合国内外规范进行了计算长细比的修正。

1.2.1双拼角钢组合型式

在铁塔理论计算时，组合角钢构件是按整体统一的理想化构件模式参与计算，即假定组合角钢两角钢受力均匀，无相对位移，能协调变形及共同抵抗外荷载。而传统组合型式的双角钢内侧角钢的两肢分别与塔身正侧面斜材连接，外侧角钢仅通过填板与内侧角钢共同作用，协调作用能力较差，内外侧角钢存在传力的不同时性和不均匀性。

该试验塔双拼组合角钢采用旋转90°的新型布置方案，双拼角钢的每个角钢分别与塔身正、侧面斜材连接，可有效改善组合角钢内外侧角钢受力均匀性、位移协调性等受力性能，提高组合角钢承载能力。

1.2.2双拼角钢长细比修正

《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）中双肢组合角钢的稳定计算方法与单角钢的稳定计算方法基本相同，差异只是构件的回转半径应取组合截面的回转半径。实际上双组合角钢轴心受压时，其承载力会受到剪力引起变形的影响，英国《Lattice towersand masts》（BS8100-3：1999）、欧洲规范等国外规范均通过修正组合角钢的长细比来考虑此影响，这样的修正都是通过大量的试验、理论研究及工程实践得来的。通过比较国内外规范关于双组合角钢设计的有关规定，与以往工程试验相关资料对比分析，欧洲规范的长细比算法与实际工程更为接近，试验塔参考欧洲规范进行了长细比修正。

用（Kλ/r）m来替代Kλ/r，（Kλ/r）m按照下式计算：

2　试验概况

2.1试验工况

根据铁塔内力分析结果，在正常运行、安装和事故断线三大类基本工况中选取了主要控制工况进行试验，具体见表1。

表1　JC30201Z塔试验工况表

2.2试验加荷原则及测点布置

加荷级别按照《架空线路杆塔结构荷载试验》（DL/T899-2004）规范执行，JC30201Z试验塔共布置了11个位移测点，分别在地线支架、横担的端部和主材节点上；应变测点共39个，共计应变片104片，分布在受力复杂的斜材和关键部位的主材上。

3　试验数据分析

3.1位移分析

绘制各工况荷载作用下的位移实测值与理论计算值比较如图2～3所示。可以看出X向最大位移出现在90°大风工况，Y向最大位移出现在锚线工况。

图2　X方向位移值分布图

图3　Y方向位移值分布图

（1）该塔X向实测位移小于计算位移，Y向多数测点实测位移小于计算位移，仅5、7工况实测位移大于计算位移且相差不大，表明该塔节点构造刚度较好；

（2）由该塔使用导线为目前国内最大截面导线，5、7工况纵向外荷载较大，实测位移值略大于计算值，建议可适当加大纵向刚度；

（3）正常运行工况，塔身变形均小于理论计算，且各个方向的位移值都不大，满足规程规范的刚度要求，整体刚度很好。

3.2应变分析

通过实测应变并计入自重计算实测内力，绘制控制工况下的内力实测值与理论计算值比较如图4所示。

图4　各测点内力分布图

分析可知：

（1）总体看，该塔实测内力与计算内力吻合，设计方法正确，铁塔强度安全可靠。

（2）26、27测点实测内力大于计算内力，比例为3～5%，表明由于塔脚附近刚度较大，存在固端弯矩的影响，实际内力大于理论计算值，铁塔设计过程中应考虑固定弯矩的影响预留约5%裕度。

3.3超载及破坏情况分析

本塔型试验超载工况为45°大风，试验超载至115%荷载时东南侧塔腿主材首先屈服。

经计算分析，塔腿主材（Q420双拼角钢）设计应力比最大0.98，是最可能首先破坏杆件。其计算长度L=2.324m，稳定系数φ=0.899，内力N=-3923.6kN，设计应力σ=370.8MPa，按材料理论屈服强度推算，则其破坏加荷级别应是113.3%。

同时根据试验后的材质试验报告，该构件的实际屈服强度值为397.75MPa，据此推算理论破坏级别则应为107%，而实际加荷级别（115%）超出7%。

进一步分析：《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/ T5154-2012）第6.1.1条规定，轴心受力构件强度计算应考虑螺栓减孔影响，按构件净截面面积考虑。然而构件之间压力在实际传递过程中未进入减孔面就已通过螺栓传递给下一构件，在上下段接头处压力的传递过程中不存在减孔因素的影响。若不考虑减孔的影响，此杆件的强度与稳定计算应力为338.6MPa和351.9MPa。

由此可见，强度计算时不考虑减孔的影响，杆件强度应力低于稳定应力，杆件由稳定控制。计算应力比为：

351.9/380=0.926，若按此杆件实际平均屈服强度397.75MPa计算，则计算实际破坏加荷级别应397.75÷351.9=113%，与实际破坏荷载等级（115%）完全吻合。

3.4新型双拼组合角钢受力不均匀性分析

根据试验应变值对双角钢主材两肢应变情况进行统计分析，绘制两肢角钢实测应变比值区间分布见图5。