±800 kV工程特高压直流输电铁塔真型试验研究

2022-08-31关志军

山西电力 2022年4期

关志军

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原 030001）

0 引言

输电线路铁塔设计时，杆件一般作为轴心受力构件进行计算，按照相关设计规范，进行构件稳定计算时需先确定其截面分类。近几年，新规范相继发布，不同规范均对轧制等边角钢的截面分类进行了调整。旧版规范《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154—2012）[1]和《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）[2]一致，均规定不同钢材牌号的轧制等边角钢的最小轴失稳均为b类；新版规范《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486—2020）[3]和《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[4]略有差异，二者均规定轧制等边角钢为a*类截面，即角钢材质为Q235材质时取b类截面，角钢材质为Q345、Q390、Q420、Q460时取a类截面，不同在于前者还规定“设计经验不足时，应进行全尺寸杆塔试验验证，否则应按b类设计”。

由于新规范发布时间较短，输电铁塔真型试验相关文献[5-9]对于角钢的截面分类的研究尚处于空白，早期文献[10-11]主要基于单个构件对Q420高强度等边角钢的整体稳定性和截面分类进行研究。本文结合实际情况，对铁塔实际加载和理论计算的破坏情况进行分析对比，并针对输电铁塔设计时轧制等边角钢的截面分类给出建议。

1 试验塔设计条件

1.1 试验塔基本参数

本试验为白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电线路工程Z27102A直线塔真型验证试验，采用双极水平排列V串的挂线方式，塔材均为轧制等边单角钢，铁塔主材主要采用Q420B，角钢规格涵盖L125×8～L200×16。塔身斜材主要采用Q355B材质角钢，其他杆件采用Q355B和Q235B材质的角钢。试验塔基本参数有：环境条件（海拔0～1000 m，平丘地形）；气象条件（最大风速27 m/s，最大覆冰10 mm）；导线（6×JL1/G3A-1000/45型号）、地线（JLB20A-150型号）；使用条件（水平挡距520 m，垂直挡距670 m，代表挡距450 m，计算塔呼高60 m，试验塔呼高45 m，试验塔质量32.88 t，试验呼高角钢最大规格Q420L200×16，转角度数为零）。

1.2 试验塔加载工况

充分考虑特高压直流直线塔受力特点，选择6个典型荷载工况作为加载工况，工况1～工况6依次为断左导线、断右导线、断左地线、锚右导线、90°大风和45°大风工况。结构重要性系数安装取1.0，其他工况取1.1，地面粗糙度类别按B类考虑，基准风起算高度为10 m。

2 试验塔理论计算

试验塔计算时采用Smarttower建立桁架（杆单元）模型，分别计算上述工况下的铁塔受力情况。经理论分析，工况6（45°大风工况）作用下，铁塔主材受力最大，此工况为控制工况。

《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486—2020）和《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）关于等边角钢轴心受压稳定性计算公式为

其中，N为杆件受到的轴力；φ为稳定系数；A为角钢截面面积；f为角钢抗压强度设计值。

在工况6作用下杆件受力由轴心受压失稳控制，长细比为40.8。杆件截面分类若按b类截面考虑，稳定系数为0.835，失稳计算应力比为0.927；杆件截面分类若按a类截面考虑，稳定系数为0.902，失稳计算应力比为0.879。

3 铁塔真型试验

3.1 试验原理

a）加荷等效原理。采用液压加荷装置，通过钢丝绳串联拉力传感器，按试验分级要求，逐步将垂直负荷、水平负荷及张力负荷施加在杆塔上各指定荷载作用点上。

b）观测。通过拉力传感器控制水平负荷及张力负荷加载的大小值；采用应变测量仪，测出各主要杆件的应变值得到各杆件的应力：测点应力值=应变值×材料弹性模量。在杆塔的正、侧两面各设置全站仪，分别测量杆塔正、侧面的挠度变形值及横担扭转位移值，并由各测点位移值绘出挠度曲线。

3.2 试验方案简述

试验塔采用1∶1全尺寸试验，共设置16个位移测点和56个应变测点。加载工况分两类：一为验证性工况，即加载达到100%设计荷载时结构不发生破坏；二为超载工况，首先加载至100%设计荷载完成铁塔的安全性验证，之后继续加载至铁塔丧失承载力，以便与理论计算进行对比分析。根据理论计算结果，选取工况6为超载工况。

加载分级如下：工况1～工况5，0%→50%→75%→90%→95%→100%→50%→0%；工况6，0%→50%→75%→90%→95%→100%→105%→110%→115%→120%→125%→130%→135%→140%→145%→150%。

3.3 试验情况

首先依次进行工况1至工况6试验，试验荷载为100%设计荷载，试验塔各构件未发生明显的弯曲和扭转变形，铁塔结构安全可靠。其次进行工况6荷载加至100%后继续加载试验，当荷载加至127%时试验塔塔腿主材（杆件号3801）发生受压失稳破坏[12]5，此时铁塔丧失继续承载能力。

4 试验结果分析

4.1 试验塔应变数据分析

试验主要工况和关键构件计算内力和实测内力统计如表1所示。从表1可看出：45°大风工况基本控制全部塔身主材，与理论计算一致；除90°工况时塔身斜材实测内力较计算内力大4%外，其他试验塔关键材料实测内力均小于计算内力，且计算应力和实测应力偏差较小。从整体对比情况来看，Z27102A直线塔实测内力和计算内力比较吻合，铁塔强度安全可靠，实验数据可信。

表1 试验塔加荷100%时主要构件计算内力和实测内力统计表

4.2 铁塔腿部主材稳定计算相关参数实测情况

a）材料实测屈服强度。根据中国电力科学研究院有限公司提供的材质试验记录[12]95-97，破坏位置试样编号“Z27102A-3801”的3组主材屈服强度分别为418 MPa、427 MPa和429 MP，即平均屈服强度为424.7 MPa。

b）材料实测主材厚度。根据中国电力科学研究院有限公司提供的材质试验记录，破坏位置试样编号“Z27102A-3801”的3组主材厚度分别为16.30 mm、16.40 mm和16.38 mm，即平均厚度为16.36 mm。

4.3 腿部主材失稳破坏过程原因分析

造成铁塔腿部主材失稳破坏存在下列2种情况：一是主材破坏位置附近辅助材率先破坏造成腿部主材长细比发生变化，进而造成腿部主材发生失稳破坏；二是主材承载力不足率先发生失稳破坏。从辅助材3804/380处应变测点在工况6作用下实测内力和理论内力对比情况可以看出，100%加载时实测内力较理论值低11%，125%加载时实测内力与100%加载时理论值相当，可以认为腿部辅助材3804/3805处未先于腿部主材屈曲，腿部主材3801处由于自身失稳破坏，而非腿部辅助材率先屈曲导致主材长细比突变所致。

4.4 试验数据与理论计算对比分析

针对《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486—2020）和《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）关于轧制等边角钢受压稳定计算时截面分类的不同规定，考虑角钢屈服强度和设计强度的比值和及稳定系数，计算塔腿部主材破坏时的理论加载比例。计算公式为

其中，φ为稳定系数；A为角钢截面面积；f为角钢抗压强度设计值；fy为角钢屈服强度。

分别按照a类、b类2种截面类型计算铁塔腿部主材破坏时的理论加载比例。按照b类截面计算试验塔在超载工况下塔腿位置破坏时的荷载理论值：破坏段主材设计应力比为0.927，考虑屈服强度和设计强度的比值，预测破坏时加载比例为420÷375÷0.927=121%；实测屈服强度为424.7 MPa，实测角钢厚度16.36 mm，按照实测屈服强度、实测角钢截面尺寸计算，破坏时加载比例应为424.7÷375÷0.927×16.36÷16=125%。按照a类截面计算试验塔在超载工况下塔腿位置破坏时的荷载理论值：破坏段主材设计应力比为0.879，考虑屈服强度和设计强度的比值，预测破坏时加载比例为420÷375÷0.879=127%；实测屈服强度为424.7 MPa，实测角钢厚度16.36 mm，考虑屈服强度和设计强度的比值，按照实测屈服强度、实测角钢截面尺寸计算，破坏时加载比例应为424.7÷375÷0.879×16.36÷16=132%。

由试验情况可知，实际试验加荷到127%设计荷载时塔腿主材首先发生破坏；由前文可知，工况6在100%加载时腿部主材受力理论计算值较实际受力值偏大。由此可判断，本铁塔真型试验结果与按照b类截面设计的计算结果基本吻合。