談高強鋼在輸電鐵塔中的應用

牛建榮 陳 濤

(太原供電設計研究院，山西太原 030001)

據相關資料統計，鐵塔占本體投資的30%左右，如何利用新技術，新材料來降低桿塔指標，已經成為工程設計人員最為關心的問題。而采用高強鋼可充分利用鋼材強度的同時，還可有效避免組合截面的出現，簡化了結構構造，減少了構件元素數量，使結構荷載傳遞方式更加合理，可有效提高鐵塔結構的先進性、經濟性和安全可靠度。

1 高強鋼的設計應用

1)軸心受力強度計算。

鐵塔構件的選取主要是取決于其受力狀態，對于鐵塔受力材料，其主要由軸心受力的強度及軸心受壓穩定控制來確定。DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結構設計技術規定對于軸心受力構件的強度計算公式如下:

其中，N為軸心拉力或壓力設計值;m為構件強度折減系數;An為構件凈截面面積;f為鋼材的強度設計值。

上式中，An和m均與材料的強度等級無關，可以看出，對于軸心受力強度的控制構件，其選材主要是由材料本身的強度來決定，構件材料量與材料強度設計值成反比，強度越高其所用材料越少。與普通鋼材相比，高強鋼本身具有強度高的特點，表1列出各鋼種的強度比值。

表1 強度等級鋼材的強度承載力比值(厚度＜16 mm)

由表1可以看出，采用高強鋼材，對由軸心受力強度控制的單根桿件，其強度和承載能力都有較大提高。因此，在桿塔設計中，由軸心受力強度控制的構件采用高強鋼有明顯的優勢，如受拉的橫擔上平面主材、大荷載下受軸心受壓的主材等，采用高強鋼降低鋼材指標效果明顯。

2)軸心受壓穩定計算。

鐵塔結構大部分的桿件由受壓穩定控制，如橫擔下平面主材、塔身主材、斜材等。DL/T 5154-2012架空輸電線路桿塔結構設計技術規定對于由軸心受壓穩定控制的受力桿件，其計算公式如下:

其中，N為軸心受壓穩定的壓力設計值;φ為鐵塔軸心受壓構件穩定系數;A為構件毛截面面積;mN為壓桿穩定強度折減系數;f為鋼材的強度設計值。

穩定計算從公式形式看，雖然也像是針對個別截面，實際上它卻是針對整個結構的。穩定計算公式中的φ和mN都與材料的強度等級有關。

3)角鋼截面的選擇。

對于結構構件受壓穩定計算，不但要考慮壓穩系數的影響，還要考慮強度折減系數mN，即考慮角鋼翼緣失穩的影響，此系數與截面特性和強度有關，計算方法如下:

角鋼構件:根據翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比計算確定:

其中，b為角鋼翼緣板自由外伸寬度，mm;t為角鋼肢厚、鋼管壁厚，mm。

從上面公式可以得出，相同截面，構件強度越高，其折減系數越小。為了使高強鋼能夠盡可能地充分發揮其高強特性，在工程中不得已要采用一些角鋼肢寬肢厚比較小的構件，以控制mN的折減。按照承載力提升10%以上來判斷，Q420高強角鋼可利用的角鋼規格占高強鋼規格范圍的50%左右，角鋼強度提高值最大到22%，可利用的角鋼長細比范圍達到了70。

4)螺栓的選用。

隨著今后高強鋼在輸電線路上的大量采用，與高強鋼相匹配的高強螺栓選型問題將成為設計者關心的問題。

就孔壁承壓而言，當采用4.8級螺栓時無論對何種級別的角鋼，均由螺桿控制;當采用6.8級螺栓時，對Q420級別的角鋼，由螺桿控制;當采用8.8級螺栓時，無論對何種級別的角鋼均由構件孔壁承壓控制。由此可見，在采用高強鋼時，對螺栓強度，除考慮螺栓抗剪切強度以外，還要考慮鋼材的孔壁承壓問題。當采用了高強鋼構件，而仍使用較低級別螺栓時，要特別注意角鋼或鋼板對螺栓的螺桿承壓驗算。

2 根據塔型特點使用高強鋼

如何在桿塔中使用高強鋼直接關系到桿塔設計的好壞，通過對以往線路桿塔及對某220 kV典型塔型的試算分析，探索如何針對不同塔型結構的受力特點來最大限度地發揮高強鋼的特性。

耐張轉角塔的受力相比直線塔更大，因此在耐張塔中更容易發揮高強鋼特性，以耐張轉角塔2B6-JC3為例。

表2 Q420鋼在干字形耐張塔中使用表

由表2數據分析:其主材內力達到850 kN，端部連接形式為單面連接，一端偏心的結構，采用Q345鋼材，受壓強度控制了選材，選材規格達到 L180×14，對于受壓強度控制的桿件，采用Q420高強鋼是比較合理的，主材規格由L180×14(Q345)下調為L160×14(Q420)。減少了鋼材指標和結構擋風面積，對桿塔整體抗外負荷能力起到積極影響。

對同一塔型采用不同高強鋼進行計算，各塔型的計算用量及節約情況見表3(Q345鋼材單價:0.68萬元/t;Q420鋼材單價:0.73 萬元/t)。

表3 采用Q420高強鋼后桿塔用鋼量的比較

通過計算，采用Q420高強鋼后，小負荷塔可降低塔重5% ～8%左右，大負荷塔可降低塔重9%左右。

通過以上分析研究，根據桿塔受力特點和內力分配情況，在桿塔中局部采用Q420高強鋼，配合傳統Q345和Q235鋼材使用，可以對桿塔起到優化的作用，一方面使結構受力更加合理，另外可以降低桿塔鋼材指標。而且高強鋼的使用優化了結構的構造，減少設計、運輸、安裝的工作量，從輸電線路建設的綜合造價上，可以有效節省工程投資，具有較好的經濟效益。

3 結語

鐵塔用高強鋼，受壓穩定控制時，構件長細比λ應控制在80以內，且越低其優勢越大，主材長細比應控制在40左右才能充分利用高強鋼強度高的優勢;當構件長細比λ＞80時，構件由穩定控制，不宜采用高強鋼選材。

在輸電線路鐵塔上推廣使用高強鋼是必要的和完全可行的。經過估算應用高強鋼可以有效降低鐵塔重量，較采用Q345鋼，直線塔可以降低3%～6%，耐張塔可以降低6%～7%，其桿塔越大、負荷越大、使用高強鋼越多降低就越多，經濟性越好。合理運用高強鋼，其用量可以占到全塔重量的35%左右。