±800kV特高壓靈紹線JC30201Z重冰區(qū)塔設(shè)計與真型試驗研究

張小勇

（福建永福工程顧問有限公司）

±800kV特高壓靈紹線JC30201Z重冰區(qū)塔設(shè)計與真型試驗研究

張小勇

（福建永福工程顧問有限公司）

針對±800kV特高壓靈紹線雙拼主材采用旋轉(zhuǎn)90°的新型組合型式，選擇JC30201Z重冰區(qū)轉(zhuǎn)角塔開展設(shè)計與真型試驗研究，驗證此方案的可靠性，保證線路安全運(yùn)行。試驗結(jié)果表明：雙拼角鋼新型組合型式承載力良好，試驗值與設(shè)計值吻合性較好；新型組合型式也存在兩肢角鋼受力不均勻現(xiàn)象，但整體不均勻度大為降低；為旋轉(zhuǎn)90°的新型組合角鋼截面型式的規(guī)模推廣奠定基礎(chǔ)。

特高壓；重冰區(qū)；雙拼主材；新型組合型式；真型試驗

引言

靈州-紹興±800kV特高壓直流輸電工程是我國“十二五”重點輸變電工程項目之一，是我國首次接入750kV交流電網(wǎng)的±800kV特高壓直流輸電工程，是國家“西電東送”北通道的重要組成部分。本工程雙拼主材采用旋轉(zhuǎn)90°的新型組合型式，為驗證此方案的可靠性和保證線路安全運(yùn)行，選擇JC30201Z重冰區(qū)轉(zhuǎn)角塔開展真型試驗，本文結(jié)合真型試驗結(jié)果，分析其桿塔設(shè)計及試驗情況。

1　鐵塔設(shè)計概況

JC30201Z塔是該輸電線路工程20mm重冰區(qū)中較典型的耐張塔，主材為雙拼組合角鋼，采用旋轉(zhuǎn)90°的新型組合型式，其安全可靠性、設(shè)計合理性對于在工程推廣應(yīng)用具有重要意義。因此，在工程應(yīng)用前，對該塔型做了較為全面的設(shè)計分析和重要工況的試驗驗證。

1.1鐵塔基本參數(shù)

鐵塔的設(shè)計基本風(fēng)速為30m/s，設(shè)計覆冰20mm，導(dǎo)線采用6×1250/100大截面導(dǎo)線，轉(zhuǎn)角度數(shù)為0～20°，試驗塔全高67m，塔重128.7t，鐵塔外形如圖1所示。

圖1　JC30201Z鐵塔一覽圖

1.2鐵塔設(shè)計優(yōu)化

從近年來工程設(shè)計和鐵塔試驗情況看，雙組合角鋼主材傳統(tǒng)布置型式的試驗承載力與理論設(shè)計偏差較大，內(nèi)外角鋼受力很不均勻，曾多次出現(xiàn)受壓雙組合角鋼主材未能達(dá)到理論破壞荷載就發(fā)生了失穩(wěn)屈曲破壞的情況，尤其是塔腿主材下端更是如此。針對上述情況，本試驗塔優(yōu)化了雙拼角鋼的組合型式并結(jié)合國內(nèi)外規(guī)范進(jìn)行了計算長細(xì)比的修正。

1.2.1雙拼角鋼組合型式

在鐵塔理論計算時，組合角鋼構(gòu)件是按整體統(tǒng)一的理想化構(gòu)件模式參與計算，即假定組合角鋼兩角鋼受力均勻，無相對位移，能協(xié)調(diào)變形及共同抵抗外荷載。而傳統(tǒng)組合型式的雙角鋼內(nèi)側(cè)角鋼的兩肢分別與塔身正側(cè)面斜材連接，外側(cè)角鋼僅通過填板與內(nèi)側(cè)角鋼共同作用，協(xié)調(diào)作用能力較差，內(nèi)外側(cè)角鋼存在傳力的不同時性和不均勻性。

該試驗塔雙拼組合角鋼采用旋轉(zhuǎn)90°的新型布置方案，雙拼角鋼的每個角鋼分別與塔身正、側(cè)面斜材連接，可有效改善組合角鋼內(nèi)外側(cè)角鋼受力均勻性、位移協(xié)調(diào)性等受力性能，提高組合角鋼承載能力。

1.2.2雙拼角鋼長細(xì)比修正

《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154-2002）中雙肢組合角鋼的穩(wěn)定計算方法與單角鋼的穩(wěn)定計算方法基本相同，差異只是構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑應(yīng)取組合截面的回轉(zhuǎn)半徑。實際上雙組合角鋼軸心受壓時，其承載力會受到剪力引起變形的影響，英國《Lattice towersand masts》（BS8100-3：1999）、歐洲規(guī)范等國外規(guī)范均通過修正組合角鋼的長細(xì)比來考慮此影響，這樣的修正都是通過大量的試驗、理論研究及工程實踐得來的。通過比較國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于雙組合角鋼設(shè)計的有關(guān)規(guī)定，與以往工程試驗相關(guān)資料對比分析，歐洲規(guī)范的長細(xì)比算法與實際工程更為接近，試驗塔參考?xì)W洲規(guī)范進(jìn)行了長細(xì)比修正。

用（Kλ/r）m來替代Kλ/r，（Kλ/r）m按照下式計算：

2　試驗概況

2.1試驗工況

根據(jù)鐵塔內(nèi)力分析結(jié)果，在正常運(yùn)行、安裝和事故斷線三大類基本工況中選取了主要控制工況進(jìn)行試驗，具體見表1。

表1　JC30201Z塔試驗工況表

2.2試驗加荷原則及測點布置

加荷級別按照《架空線路桿塔結(jié)構(gòu)荷載試驗》（DL/T899-2004）規(guī)范執(zhí)行，JC30201Z試驗塔共布置了11個位移測點，分別在地線支架、橫擔(dān)的端部和主材節(jié)點上；應(yīng)變測點共39個，共計應(yīng)變片104片，分布在受力復(fù)雜的斜材和關(guān)鍵部位的主材上。

3　試驗數(shù)據(jù)分析

3.1位移分析

繪制各工況荷載作用下的位移實測值與理論計算值比較如圖2～3所示。可以看出X向最大位移出現(xiàn)在90°大風(fēng)工況，Y向最大位移出現(xiàn)在錨線工況。

圖2　X方向位移值分布圖

圖3　Y方向位移值分布圖

（1）該塔X向?qū)崪y位移小于計算位移，Y向多數(shù)測點實測位移小于計算位移，僅5、7工況實測位移大于計算位移且相差不大，表明該塔節(jié)點構(gòu)造剛度較好；

（2）由該塔使用導(dǎo)線為目前國內(nèi)最大截面導(dǎo)線，5、7工況縱向外荷載較大，實測位移值略大于計算值，建議可適當(dāng)加大縱向剛度；

（3）正常運(yùn)行工況，塔身變形均小于理論計算，且各個方向的位移值都不大，滿足規(guī)程規(guī)范的剛度要求，整體剛度很好。

3.2應(yīng)變分析

通過實測應(yīng)變并計入自重計算實測內(nèi)力，繪制控制工況下的內(nèi)力實測值與理論計算值比較如圖4所示。

圖4　各測點內(nèi)力分布圖

分析可知：

（1）總體看，該塔實測內(nèi)力與計算內(nèi)力吻合，設(shè)計方法正確，鐵塔強(qiáng)度安全可靠。

（2）26、27測點實測內(nèi)力大于計算內(nèi)力，比例為3～5%，表明由于塔腳附近剛度較大，存在固端彎矩的影響，實際內(nèi)力大于理論計算值，鐵塔設(shè)計過程中應(yīng)考慮固定彎矩的影響預(yù)留約5%裕度。

3.3超載及破壞情況分析

本塔型試驗超載工況為45°大風(fēng)，試驗超載至115%荷載時東南側(cè)塔腿主材首先屈服。

經(jīng)計算分析，塔腿主材（Q420雙拼角鋼）設(shè)計應(yīng)力比最大0.98，是最可能首先破壞桿件。其計算長度L=2.324m，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.899，內(nèi)力N=-3923.6kN，設(shè)計應(yīng)力σ=370.8MPa，按材料理論屈服強(qiáng)度推算，則其破壞加荷級別應(yīng)是113.3%。

同時根據(jù)試驗后的材質(zhì)試驗報告，該構(gòu)件的實際屈服強(qiáng)度值為397.75MPa，據(jù)此推算理論破壞級別則應(yīng)為107%，而實際加荷級別（115%）超出7%。

進(jìn)一步分析：《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/ T5154-2012）第6.1.1條規(guī)定，軸心受力構(gòu)件強(qiáng)度計算應(yīng)考慮螺栓減孔影響，按構(gòu)件凈截面面積考慮。然而構(gòu)件之間壓力在實際傳遞過程中未進(jìn)入減孔面就已通過螺栓傳遞給下一構(gòu)件，在上下段接頭處壓力的傳遞過程中不存在減孔因素的影響。若不考慮減孔的影響，此桿件的強(qiáng)度與穩(wěn)定計算應(yīng)力為338.6MPa和351.9MPa。

由此可見，強(qiáng)度計算時不考慮減孔的影響，桿件強(qiáng)度應(yīng)力低于穩(wěn)定應(yīng)力，桿件由穩(wěn)定控制。計算應(yīng)力比為：

351.9/380=0.926，若按此桿件實際平均屈服強(qiáng)度397.75MPa計算，則計算實際破壞加荷級別應(yīng)397.75÷351.9=113%，與實際破壞荷載等級（115%）完全吻合。

3.4新型雙拼組合角鋼受力不均勻性分析

根據(jù)試驗應(yīng)變值對雙角鋼主材兩肢應(yīng)變情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，繪制兩肢角鋼實測應(yīng)變比值區(qū)間分布見圖5。

圖5　新型組合角鋼應(yīng)變不均勻度區(qū)間分布圖

分析可知：

（1）整體看，新型十字截面組合角鋼受力較均勻，24個樣本數(shù)據(jù)中沒有超過20%的。

（2）最大彎矩和45°大風(fēng)超載工況兩肢角鋼實測內(nèi)力較均勻，最大不均勻度5.47%，受力情況較好；最大覆冰和90°大風(fēng)工況兩肢角鋼受力情況較差，最大不均勻度18.96%。

（3）10%以內(nèi)的（18個）占3/4；10～15%之間的（4個）占1/6；超過18%的（2個）占1/12，且都是距離塔腳板較近的測點。

（4）從測點所處位置看，25點位于節(jié)間中間，此位置兩肢角鋼受力更為均勻，而靠近塔腳板處雙角鋼受固端彎矩的影響，不均勻度有所增加。

（5）綜上所述，新型十字截面雙拼組合角鋼受力較均勻。

4　結(jié)論與建議

（1）JC30201Z塔型為20mm重冰區(qū)典型轉(zhuǎn)角塔，該塔順利通過8個工況100%設(shè)計荷載試驗；45°大風(fēng)工況超載至115%設(shè)計荷載時，塔腿主材破壞；理論與試驗吻合性好，達(dá)到了預(yù)期目的；

（2）實測內(nèi)力與計算內(nèi)力基本吻合，表明鐵塔受力狀態(tài)與理論計算相符，設(shè)計理論正確，構(gòu)造布置合理，鐵塔設(shè)計良好；

（3）該塔實測變形較小，剛度可靠，滿足工程運(yùn)行要求；

（4）軸心受壓構(gòu)件強(qiáng)度計算時，截面積計算可按毛截面積考慮；

（5）旋轉(zhuǎn)90°后的新型十字型截面組合角鋼受力更為均勻，建議推廣應(yīng)用。

[1]《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154-2012）.

[2]《架空線路桿塔結(jié)構(gòu)荷載試驗》（DL/T899-2004）.

[3]中國電力科學(xué)研究院.靈州-紹興±800kV特高壓直流輸電線路工程JC 30201Z轉(zhuǎn)角塔試驗報告.

TM753

A

1673-0038（2015）23-0242-03

2015-5-21

張小勇（1983-），男，四川安岳人，本科，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。