1 000 kV特高壓鋼管塔塔身變坡節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃璜，任宗棟，默增祿，李士鋒，王智飛

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100032)

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)進(jìn)行，桿塔荷載與質(zhì)量越來(lái)越大，實(shí)際需求和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)能的矛盾表現(xiàn)得越來(lái)越突出，尤其是在1 000 kV淮南—上海特高壓雙回路輸電線路工程中，由于桿塔受力較大，應(yīng)用普通角鋼即使采用四拼截面也難以滿足承載力的要求，因此需要采用受力較優(yōu)的鋼管結(jié)構(gòu)［1］。

2009年，國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)院為1 000 kV淮南—上海(皖電東送)特高壓雙回路輸電線路工程設(shè)計(jì)了一系列的鋼管塔(稱為“第一代鋼管塔”)。由于“第一代鋼管塔”設(shè)計(jì)處于摸索階段，設(shè)計(jì)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)板連接代替普通使用的相貫焊接等重大改進(jìn)成功得到驗(yàn)證，同時(shí)通過(guò)真型試驗(yàn)也暴露出了節(jié)點(diǎn)設(shè)置不合理、設(shè)計(jì)指標(biāo)偏高等問(wèn)題。

鋼管塔塔身變坡節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高可靠性、降低塔重的關(guān)鍵所在。本文以1 000 kV淮南—上海特高壓雙回路輸電線路工程中的SJ276轉(zhuǎn)角塔為分析對(duì)象，結(jié)合“第一代鋼管塔”施工圖塔身變坡節(jié)點(diǎn)的處理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)塔身變坡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了多方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，提出了SJ276轉(zhuǎn)角塔塔身變坡節(jié)點(diǎn)處理的合理方案，并總結(jié)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 鋼管塔塔身變坡節(jié)點(diǎn)布置方案

目前國(guó)內(nèi)輸電鋼管塔塔身變坡節(jié)點(diǎn)處理大多為如下2種方案。

第1種方案為大板對(duì)焊式(如圖1)。此方案塔身變坡處上下主管通過(guò)1塊板焊在一起，板以及主管布置橫向、縱向加勁肋，防止主管以及大板局部屈曲。該方案優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)安全可靠，缺點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、焊接工作量大，且焊接人員施焊不便。

第2種方案是法蘭螺栓連接式，如圖2所示。塔身變坡處上下主管通過(guò)剛性法蘭盤連接在一起。該方案優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單清晰，缺點(diǎn)為下法蘭板異形，加工精度要求高，且鋼管塔受力大、法蘭盤螺栓多，定位困難。

2 SJ276塔設(shè)計(jì)與塔身變坡節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

2.1 SJ276塔設(shè)計(jì)計(jì)算

SJ276塔設(shè)計(jì)條件與設(shè)計(jì)原則嚴(yán)格按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》與國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)會(huì)議精神的要求。SJ276塔呼高為48 m，導(dǎo)線型號(hào)為8×JL/G1－630/45，地線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ－240，風(fēng)速為27 m/s，檔距為500 m，垂直檔距為650 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)為50°～60°，SJ276 塔單線圖見(jiàn)圖3。

SJ276塔設(shè)計(jì)考慮了大風(fēng)、覆冰、斷線、安裝與不均勻冰共126個(gè)工況，通過(guò)軟件計(jì)算分析，變坡節(jié)點(diǎn)處最大壓力為8 954 kN，最大拉力為7 163 kN，變坡處上下主管的規(guī)格為Q345φ762 mm×15 mm。

2.2 塔身變坡上下主管的局部屈曲驗(yàn)算

由 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］5.4.5條規(guī)定，可知主管局部屈曲驗(yàn)算如下:

式中fy為材料屈服強(qiáng)度，N/mm2。

2.3 塔身變坡處節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

2.3.1 采用大板對(duì)焊式方案的變坡節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

(1)主管與大板焊縫的驗(yàn)算。焊角尺寸的取值范圍為

圖3 SJ276塔單線圖Fig.3 single line diagram for SJ276 tower

式中:hf為焊角尺寸，mm;t為板厚，mm。

由式(2)可得 hf最小值為18 mm，最大值為30 mm。hf取值過(guò)大，冷卻時(shí)將加大焊接收縮變形，同時(shí)也可能要施焊2道才能實(shí)現(xiàn)要求的hf，因此宜采用較小值，hf通常取18 mm。材料焊縫極限強(qiáng)度為

式中:lw為焊縫長(zhǎng)度，mm;βf為強(qiáng)度計(jì)值增大系數(shù)為角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，查表取200 N/mm2。由式(3)計(jì)算可得材料焊縫極限強(qiáng)度為7 305 kN，大于最大拉力7 163 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)塔身變坡處連接節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算。根據(jù)Q/GDW 391—2009《輸電線路鋼管塔構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定》［5］第9條進(jìn)行節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算。圖4為計(jì)算用參數(shù)含義示意。

圖4 變坡處設(shè)計(jì)計(jì)算各參數(shù)示意圖Fig.4 Design parameters of slope change

圖4中各參數(shù)的取值及各桿件受力(負(fù)號(hào)表示受壓)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值Tab.1 Parameters for calculation

節(jié)點(diǎn)上作用的扭矩

拉(壓)力

剪力

由表1數(shù)據(jù)可得 M為 －354.6 kN·m，P為448.8 kN·m，Q為－928.9 kN·m。

加勁板上的作用力分別為

由式(5)和(6)可得 Pv1為 －258.1 kN，Pv2為224.4 kN。

根據(jù)Q/GDW 391—2009《輸電線路鋼管塔構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定》［5］表9.2.1節(jié)點(diǎn)類型5，可計(jì)算出加勁板極限承載力

由式(7)、(8)可得 Py1為 399 kN，Py2為 572 kN。

因此，有

可知，節(jié)點(diǎn)滿足承載力要求。

2.3.2 采用法蘭螺栓連接式方案的變坡節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

SJ276塔塔身變坡處法蘭盤取8.8級(jí)16M48螺栓，加勁板為Q345－14，加勁板高度為300 mm，寬度取200 mm。

(2)法蘭盤板厚度驗(yàn)算。法蘭盤的最大彎矩

經(jīng)計(jì)算，Mmax=53.33 kN。

法蘭盤板的厚度t取48 mm，經(jīng)驗(yàn)算，滿足下式:

式中:f為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取值305 N/mm2。因此，法蘭盤板厚的取值滿足設(shè)計(jì)要求，法蘭盤板厚度取值合理。

(3)法蘭盤加勁板焊縫的驗(yàn)算。

法蘭盤板豎向?qū)雍缚p剪應(yīng)力

式中:α為反力比系數(shù)，其值為0.83和;h為加勁板的高度，mm。

計(jì)算可得剪應(yīng)力值為88.5 N/mm2，小于規(guī)定的200 N/mm2，符合設(shè)計(jì)要求。

垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的拉力

式中:S1為加勁板下端切角高度，mm;e為偏心矩，mm。計(jì)算可得 σfv的值為163.2 N/mm2，小于規(guī)定的200 N/mm2，符合設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，又有焊縫折算應(yīng)力

可見(jiàn)，焊縫折算應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

水平對(duì)接焊縫的拉力

式中:B分別為加勁板的寬度，mm;S2為加勁板橫向切角尺寸，mm。計(jì)算可得σfh的值為187 N/mm2，小于規(guī)定的200 N/mm2，符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上分析計(jì)算，塔身變坡處節(jié)點(diǎn)采用大板焊接式與采用法蘭螺栓連接式2種方案，只要設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理，都能滿足受力要求，安全可靠。

3 塔身變坡處采用2種連接方式的塔質(zhì)量對(duì)比

SJ276塔塔身變坡處分別采用大板對(duì)焊式與法蘭螺栓連接式后，只影響變坡節(jié)點(diǎn)處上下主管2張施工圖(SJ276－14、SJ276－15)，塔質(zhì)量整理見(jiàn)表2。

表2 SJ276塔變坡采用2種方案塔質(zhì)量對(duì)比Tab.2 Comparisons of tower weight by applying two connections to slope change on SJ276 tower t

由表2可以看出，SJ276塔變坡處采用大板對(duì)焊式塔質(zhì)量比采用法蘭連接式塔質(zhì)量增加約5 t，約占整個(gè)塔質(zhì)量的2%。分析SJ276塔變坡處采用2種連接方式塔質(zhì)量相差大的原因?yàn)?

(1)SJ276塔塔身變坡處采用大板對(duì)焊式方案，上下主管臨近變坡部位時(shí)斷開(kāi)，采取鍛造法蘭連接，前后左右共用了8個(gè)FD7676B的鍛造法蘭，塔質(zhì)量約增加2 t。

(2)塔身變坡處采用大板式對(duì)焊式時(shí)，主管在變坡處的橫向加勁板與縱向加勁板較多，導(dǎo)致塔質(zhì)量增加較大。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)計(jì)算分析，鋼管塔塔身變坡處采用大板對(duì)焊式與法蘭螺栓連接式，只要參數(shù)取值合理，結(jié)構(gòu)均安全可靠。

(2)鋼管塔塔身變坡處采用大板對(duì)焊式比采用法蘭螺栓連接式多用8個(gè)鍛造法蘭，且加勁板數(shù)量增多。

(3)SJ276塔塔身變坡處采用法蘭螺栓連接式比采用大板對(duì)焊式塔質(zhì)量減輕約5 t，占全塔質(zhì)量的2%左右。

［1］中國(guó)電力科學(xué)研究院.1 000 kV交流同塔雙回輸電線路桿塔研究［R］.北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院，2009.

［2］GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

［3］GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［4］DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［5］Q/GDW 391—2009輸電線路鋼管塔構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［6］Q/GDW 178—2008 1 000 kV交流架空輸電線路設(shè)計(jì)暫行技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［7］國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.1 000 kV特高壓SJ276轉(zhuǎn)角塔施工圖［R］.北京:國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2011.

［8］李茂華，董建堯，楊靖波.特高壓雙回路鋼管塔真型試驗(yàn)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(34):102-107.

［9］楊靖波，李茂華，楊風(fēng)利.我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(22):77-83.

［10］European Committee for Standardization.Design of steel structures［S］.Brussels:EC3，2003.