基于加工考虑的220kV及以下电压输电钢管杆的优化设计

陈伯炯

（广东省电力线路器材厂有限公司，广州 510450）

基于加工考虑的220kV及以下电压输电钢管杆的优化设计

陈伯炯

（广东省电力线路器材厂有限公司，广州 510450）

钢管杆结构由于占地面积小、结构形式美观感强等优点在220kV及以下电压输电设施中占有着很大的比例。现阶段，我国钢管杆结构的设计和制造还处于分开进行的模式中，往往造成设计的构件无法制造等情况。本文从结构的杆型选取、几何尺寸两个方面出发，在满足结构安全性、美观性的前提下，以加工过程为研究对象对钢管杆结构进行了优化设计。

钢管杆 加工制造 优化设计

引言

进入21世纪以来，随着我国综合实力不断增强，作为基础设施行业的电力行业也得到了飞速发展，许多大型输电设施相继投入使用。相对于传统的输电设施占地面积大、建设周期长等缺点，输电钢管杆由于其造型新颖、美观，占地面积小、将输电与美化环境于一体等特点，在220kV及以下电压输电设施中得到了广泛应用。但轻钢结构在我国起步较晚，设计方法还不是十分成熟，尤其在设计与加工方面存在许多矛盾。本文从加工方面考虑，给出220kV及以下电压输电钢管杆的一些优化参数。

1 钢管杆结构设计与加工存在的问题

钢管杆的设计与制造同我国传统钢结构行业一样，存在着设计与制造分开进行的情况。建设单位将设计任务委托给设计单位，由设计单位设计出的加工图纸转到制造单位，虽然可以使各单位的任务更加明确，但同时也伴随着很多的问题，主要有：（1）设计人员不了解制造工艺，导致设计的杆件难以制造或即使能制造也不便安装从而影响了结构的安全和使用；（2）设计的结构难度较大，构件的截面非常见截面，导致制造加工的任务量增加；（3）设计时对热加工处理考虑不周，导致构件制作过程中热处理工艺较多，直接影响构件的力学性能。

2 基于加工考虑的输电钢管杆优化设计

输电钢管杆在设计时，既应考虑杆件安全性、适用性，也应考虑切合实际制造加工等各方面因素，对此本文将结合采用NSA钢管杆设计系统对杆件进行优化设计的结果，就以下几个方面给出相应的参考参数。

2.1 转角杆角度选取

在设计初期，转角杆角度的选取起着至关重要的作用，决定着杆件承受荷载的大小，因此在设计初期应综合考虑后期制造选取合适的角度。角度的选取受到地形、地表、地貌等多因素影响，通过对广东地区的输电钢管杆的数据分析，本文建议对转角杆的角度采用的参考值见表1。

表1 转角杆角度优化参考值

2.2 几何尺寸

从结构方面考虑，钢管杆与其他输电设施的不同之处在与其挠度在结构设计时起着决定性的作用。如果仅满足强度要求，其挠度在正常使用状态下，有时能超出限值的30‰，将降低安全性及美观性。所以在设计钢管杆时，应按满足挠度限值来设计，如式（1）所示。

式中，M(x)为杆件所受弯矩；E为弹性模量；I(x)为截面极惯性矩；α1为多边形边数修改系数。

在满足强度和挠度的前提下，主要影响制造的几何尺寸主要包括壁厚、锥度、梢径、截面形状和杆段划分，这些因素从不同层面上决定了钢管杆的耗材量和制造的难度。

（1）壁厚及杆件分段。

钢管杆的壁厚不同于其他结构的壁厚，其壁厚随着杆件的长度逐渐变化，所以在制造过程中建议将其分为不同的若干段分开制造。对于Q345材质钢材，当壁厚大于24mm，Q420材质，当壁厚大于22mm时，首先就应考虑制造是否可行，一般情况下当设计所需的壁厚大于上述材质对应的壁厚时，建议采用其他构造措施满足挠度要求，例如增大环形截面的直径等，而不建议继续增大壁厚。在对杆件进行分段时，建议首先考虑制造方面模压和热镀锌工艺的要求，其次建议考虑运输过程中的困难，如果需长途运输，其长度不建议大于8m，以减少运输的成本，不同壁厚的分段长度的建议值见表2。

表2 钢管杆不同壁厚的分段长度

（2）锥度和梢径。

锥度和梢径成反比例关系，钢管杆的锥度主要受作用在其上的荷载大小影响，荷载越大，所需的锥度也就越大以保证其安全性要求。锥度的大小还受梢径的影响，为了满足杆件的挠度要求，梢径往往不能设置过小，也就要求锥度不能过大。而且在加工制造方面，锥度较大时，加工精度较低。

在对广东地区的输电钢管杆的数据进行分析后发现，直线杆的锥度建议1/80～1/70为宜，转角杆的锥度随着角度的增加建议1/40～1/70为宜。当电压为110kV时，梢径建议250～650mm为宜，当电压为220kV时，梢径建议350～900mm为宜。

（3）截面形状。

钢管杆的截面形式主要有两种：环形截面和多变形截面。环形截面的极惯性矩I环(x)要大于多变形截面的极惯性矩I多(x)，根据公式（1）可看出，当按照挠度设计时，环形截面要优于多边形截面。但环形截面在制造过程中的难度要远大于多边形截面，一方面是由于环形较为难以实现，另一方面环形截面制造过程中会产生较多的环形焊缝，降低截面的力学性能，因此在实际工程中建议优先选用多边形截面，但多边形的边数也建议控制在合理的范围内，否则也会增加制造过程中的困难。表3给出部分220kV及以下电压输电钢管杆多边形截面边数的参考值。

表3 220kV及以下电压输电钢管杆多边形截面边数的参考值

3 结论

在设计220kV及以下电压输电钢管杆时，应充分考虑其加工可实现性。本文从加工制造方面考虑，对钢管杆进行优化设计，并给出了设计参数的建议值，结论如下：

（1）转角杆角度方面，本文结合广东地区的电压输电钢管杆数据，给出15°为一阶梯作为参考值，设计时采用这一参考值可以减少加工制造的困难程度。

（2）在钢管杆尺寸方面，本文从三个方面论述，给出壁厚、杆件分段、锥度、梢径、截面形状的优化参考值。壁厚以10mm、16mm、22mm为界限值将杆件分段长度分为三个区间。同样根据广东地区的电压输电钢管杆数据给出了直线杆和转角杆两种锥度适宜值。将钢管杆以110kV和220kV为例给出梢径的参考值。最后根据不同电压和不同角度的转角杆给出了多边形截面的边数。在实际设计过程采用这些参考值可以较大程度的避免构件加工时可能出现的问题。

[1]罗建荣.输电线路钢管杆的优化设计[J].大陆桥视野月刊，2012，（8）：180.

[2]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 5130-2001 架空送电线路钢管杆设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2002.

[3]陆洲.220kV钢管杆设计的最优参数及设计要点[B].红水河，2007，26（2）：17-20.

[4]沈才元，章志鸿.110kV钢管杆设计的几点思考[J].华东电力，2003，31（12）：32-34.

[5]北京道亨兴业科技发展有限公司.NSA钢管杆设计系统使用说明[Z].

Optimal Design of 220kV and Below Voltage Transmission Steel Pipe Rods Based on Machining Consideration

CHEN Bojiong
(Guangdong power line equipment factory Co., Ltd., Guangzhou 510450)

The structure of steel pipe rod occupies a large proportion in 220kV and below voltage transmission facilities due to its small footprint and beautiful structure. At the present stage, the design and manufacture of steel tubular structure in our country are still in the separate mode, which often causes the design of the components can not be manufactured. This paper considers the structure of the rod selection and geometric size, in order to meet the structural safety, aesthetic premise, the processing process for the research object of the steel pipe structure optimization design.

steel pipe rod, processing manufacturing, optimization design