高强度钢材在500 kV双回路钢管杆结构上的应用

2022-03-22谢震

农村电气化 2022年3期

谢震

（维蒙特工业（中国）有限公司，上海松江 201611）

近些年随着我国城市化进程的不断推进，土地资源越来越紧张，架空输电线路走廊的选择也受到较大的制约，尤其在市区或近郊的输电线路，往往被限制在很小的线路走廊区域内[1]。为了减少输配电杆塔占用线路走廊的空间，近些年对钢管杆输电结构需求不断增多。我国的输配电钢管杆结构，主要应用于220 kV及以下电压等级的线路中，相对荷载负荷较小，使用普通碳素结构钢即可满足输电线路的受力要求[3]。由于电网的不断升级，500 kV 输电杆塔在市区及周边区域的应用越来越多，大截面导线的应用和大跨越工程的建设，使杆塔荷载越来越大，对杆塔的承载能力提出了更高的要求，普通碳素结构钢已经无法满足这些特殊工程的需求。在高电压等级钢管杆结构中引入强度高、韧性好、安全可靠的高强度钢材，可以解决普通钢强度低、结构构件重、尺寸大、占地多的问题。美标ASTM A572 Gr65 高强度结构钢[4]已在国外的输电线路中得到广泛应用，近些年在高电压等级的钢管杆结构中，应用高强度结构钢也较为普遍。

1 用于项目中的500 kV 钢管杆结构使用条件和设计要求

采用高强度结构钢加工的500 kV 钢管杆结构，在应用到实际项目前，需要做大量的理论计算、模拟分析和真型加载试验工作[2]。模拟分析采用输配电行业专用的PLS-Pole 和维蒙特公司的Impax 设计软件，这两个软件均为非线性有限元分析设计软件，可以相互验证计算结果。钢管杆单杆是典型的悬臂梁结构，在顶部荷载的作用下，杆顶的挠曲变形会比较大。在一些较高电压等级的输电线路中，如500 kV以上的电压等级中，导线作用于杆塔上的荷载相对较大，采用钢管杆单杆结构，杆顶会产生较大的挠曲变形，对输电线路的安全运行产生影响。在高电压等级中应用钢管杆单杆结构，仅适用于一定的使用条件。一般情况下，直线杆日常运行工况受力比较小，适合采用单杆结构；转角耐张杆在日常运行工况下，承受的导线张力较大，须考虑组合钢管塔结构，以抵消杆体顶端的挠曲变形。在具体项目中，是适用于钢管杆单杆结构或是适用于组合钢管杆结构，须根据使用要求和条件具体分析。杆型AP-195和TSP10+6两种杆型的使用条件如表1和表2所示。

表1 500 kV双回路AP-195和TSP10+6杆型导线型号和参数

表2 500 kV双回路AP-195和TSP10+6杆型使用环境

钢管杆结构在设计过程中，须考虑在不同情况下的结构强度和挠度满足设计要求，不同电压等级和不同杆型对设计的要求也有所不同。所有设计工况下，构件不能产生永久变形，杆塔强度满足设计要求。钢管杆结构主要应用于市区，日常工况和大风工况下的挠度是设计过程中的一个重要指标。杆体挠度的设计限值没有统一的标准，不同杆型（直线杆或转角杆）、不同国家的设计标准，对挠度的设计要求也有所不同。AP-195 杆型要求大风工况下，杆顶挠度不大于杆塔总高的8%；TSP10+6 杆型要求在正常运行工况下，杆顶挠度不大于杆塔总高的2%。钢管杆结构设计中，考虑的设计工况：0°大风、45°大风、90°大风、最低温、日常运行、断导/地线、安装等工况。不同杆塔结构设计时考虑哪些工况，须根据不同杆型和运行环境做相应调整。

2 钢管杆结构的设计方法和尺寸参数

在国内国外输电线路杆塔设计标准[6-8]中，美国土木工程师学会的输电钢管杆设计标准ASCE/SEI 48-11[6]是在国际输电项目中应用最广，认可度最高的标准。在设计标准ASCE/SEI 48-11中，不仅对不同结构形式、不同截面形状的钢管杆构件，给出了具体的设计方法和计算公式，而且也对杆塔的加工制造、质量控制和试验方法等方面提供了设计参考。根据钢管杆的结构特点和受力特性，薄壁管体受压侧容易出现局部失稳情况，为避免局部失稳情况的发生，当设计过程中采用不同的径厚比时，受压构件或受弯构件的受压侧的许用强度，需进行相应折减情况的验算。ASCE/SEI 48-11 标准中对于不同的截面形状和径厚比的材料，给出了详细的许用强度取值计算公式和取值规则，可以作为钢管杆结构设计时，许用强度或设计强度取值的指导。

结合专用的有限元分析软件，进行钢管杆的结构强度计算和挠度的校核，确定满足设计要求的钢管杆的结构尺寸。钢管杆结构尺寸的确定，并不是一次设计完成的，而是在考虑客户要求、结构强度、挠度、加工能力和成本等因素，通过多次优化设计，最终确定的结构尺寸。表3 中列出了这两基500 kV杆塔的结构尺寸和设计参数。

表3 500 kV双回路AP-195和TSP10+6杆型尺寸及参数

3 500 kV钢管杆结构真型加载试验

钢管杆结构在500 kV以上的输电线路中使用的比较少，尤其是采用高强度钢材设计的单杆结构，设计和运行的经验都不多。真型加载试验[9-10]是验证杆塔设计理论、设计方法和安全可靠性的最直接、最有效地方法。真型加载试验在新材料、新结构在杆塔设计中的运用或重要项目中得到广泛运用。因此钢管杆结构除了经过理论计算公式和有限元软件计算外，还要进行真型加载试验，验证设计理论和分析软件的准确性。通过理论计算值和试验值的对比分析，确保设计理论和设计软件的计算结果是准确可靠的，同时为以后类似项目设计提供一手的参考数据。

3.1 真型加载试验布置情况

AP-195和TSP10+6两基杆塔的真型加载试验分别在北京良乡和河北霸州的国家电网公司电力建设研究所铁塔试验场完成。AP-195为单管钢杆，杆底弯矩比较大，需在钢管杆和试验场万能基础之间增设转换钢梁，减小锚栓的上拔力，可以满足在北京良乡试验场进行试验的要求。TSP10+6 为四管组合结构，根开较大，适合在河北霸州试验场进行加载试验，试验杆型如图1和图2所示。

图1 AP-195试验杆型

图2 TSP10+6试验杆型

钢管杆设计时考虑的工况较多，但有些工况不一定控制杆塔结构。真型加载试验时，根据杆塔的结构特点和荷载工况对杆塔构件的控制情况，来确定试验用的工况，AP-195和TSP10+6杆型真型加载试验工况如表4和表5所示。

表4 AP-195杆型试验工况

表5 TSP10+6杆型试验工况

根据杆塔构件理论分析的受力和变形的情况，来布置测量应变和位移的位置。应变片布置在管体构件受力较大的受拉和受压侧和受力复杂的节点处；位移观测点布置在便于观测的变形较明显的位置，沿管体从上到下来布置，横担受纵向或竖向荷载较大时，横担端部会产生较大的变形，须设置变形观测点。

3.2 真型加载试验数据位移分析

由图3和图4可知，两种杆型杆身和横担上均布置了位移观测点，试验中可以测量不同工况、不同位置的变形情况。图5和图6分别为两种杆型在控制工况下，杆身测点设计值和实测值的对比数据曲线。通过图5和图6中的数据，可以看出关于钢管杆结构杆体变形的两个特点。第一个特点是，杆身变形数据的实测值和设计值存在一定的差异，实测值比设计值偏大。产生这种结果的原因很多，分析主要是由于杆体连接节点处的刚度，杆体加工制造精度，安装误差，试验底部钢梁受力变形等，都会使杆身变形的实测值比设计理论值偏大，但实测值的变形趋势和设计值是一致的。第二个特点是，单杆结构顶部位移实测值和设计值的差异量比四杆组合结构的数值要大。经分析，产生差异的主要原因是单杆结构主要承受弯矩作用，套接节点处容易产生形变，使杆体实测的水平位移比设计值偏大。四杆结构只要承受沿着杆件轴心的拉压力和较小的弯矩，法兰连接节点刚度好，所以位移的实测值和设计值差异比较小。试验中，杆塔水平位移绝对值和差异值的大小，主要是由杆塔的受力情况和结构特点决定的。单杆钢管杆位移大，差异值也大，适合500 kV电压等级中受力较小的直线或直线小转角杆中；四杆钢管杆结构受力时，位移小，偏差值也小，适合用于500 kV电压等级中受力较大的转角耐张杆中。

图3 AP-195杆型位移观测点布置

图4 TSP10+6杆型位移观测点布置

图5 AP-195杆型控制工况100%荷载位移曲线

图6 TSP10+6杆型控制工况100%荷载位移曲线

3.3 真型加载试验应变-应力数据分析

控制工况下，两种杆型的应力最大位置如图3和图4 所示位置。AP-195 杆型应力最大位置为，中间杆段的底部，靠近套接位置的受压侧；TSP10+6杆型应力最大位置为，主杆变坡位置处的受压斜杆。两种杆型的试验测量应变-应力数据和设计计算应力如表6所示。

表6 应力测量值与设计值对比

从表6 中可以看出实测应力与计算应力存在一定的差异，实测应力比计算应力数值偏大。单杆结构应力偏差较小，组合钢管杆结构应力偏差较大。但两种杆型的偏差数值都在8%以下，且仅在局部位置的应力最大点处。控制荷载工况加载过程中，结构稳定，变形均匀。加载结束后，无明显的永久变形产生。试验过程中产生差异的原因，经分析主要有以下几个方面。

杆塔加工误差和材料偏差。加工精度误差和材料厚度负偏差会导致应力测量数值偏大。

结构设计模型假设条件与试验真实杆体构件连接的差异。实际杆体结构并非是完全理想的连接形式，如杆段中的插接节点会存在间隙；铰接节点受到约束，并非完全的铰接连接，导致杆段局部受到额外的弯曲应力，测试应力会变大。

与钢管杆连接的刚性基础，试验过程中基础底座会存在一定的变形，杆体受力不均匀。

杆塔组立过程中的误差。杆塔组立过程中的误差会使杆塔构件安装完后，存在额外的变形和应力。

通过表6 中的数据比较和分析，试验中的实测数据与计算数据存在一定的差异，但与计算数据基本吻合，说明杆塔构件传力和杆件布置是合理的，高强钢应用在500 kV钢管杆结构中是可行的。