江陰長江大跨越鐵塔構件和節點設計

蔡 鈞，楊元春，左元龍

(華東電力設計院有限公司，上海 200001)

1 概述

500 kV江陰長江大跨越工程是由世界銀行貸款的國家重點項目，江蘇省北電南送的重要輸電通道，其耐張段全長為3703 m，按“耐張－直線－直線－耐張”布置，檔距 為“700 m－2303 m－700 m”， 由 兩基總高346.5 m的雙回路跨越塔和四基高度為55 m的單回路干字型耐張塔組成，采用4×AASCR－500導線、AC－360地線和OPGW－350光纜。該工程的跨越塔高度當時位居世界第一，跨越長度位居國內第一。江陰大跨越至今仍是世界上最高的格構式結構(組合角鋼)輸電鐵塔。

由于江陰大跨越鐵塔的構件內力特別大，設計時比較了國內大跨越設計的結構型式，吸取了國外大跨越設計的經驗，同時也參考了高層鋼結構建筑和大型橋梁的設計風格，提出采用厚板焊接十字柱作為鐵塔主要受力構件的大膽設想。并通過理論論證、模型試驗和焊接試驗，解決了結構設計中可能出現的各種技術難題，證明采用厚板焊接十字柱的設想是完全可行的，也為特大跨越塔的設計提供了新材料、新技術和新經驗的借鑒。跨越塔主要構件根據內力不同，分別采用十字柱組成的格構式箱形構件、單角鋼組合成的箱型構件、四拼十字型實腹式構件及雙拼“T”型斷面構件等。鐵塔的構件設計依據的是當時有效的中國鋼結構規范,構件連接和節點設計采用的是歐盟標準。本文著重闡述其構件及連接和主要節點的構造設計，希望能夠為今后特大型鋼跨越塔的設計計算起到一定的參考借鑒作用。

2 主要桿件型式

江陰大跨越的跨越塔是采用格構式組合斷面結構的型鋼塔(見表1)，整體變形和構件內力計算采用國標《鋼結構設計規范》(GBJ 17－88)；全塔分成三個坡度段，變坡位置分別在120 m和286 m標高處。 0～120 m標高的塔身主材采用的是65 mm厚鋼板焊成十字柱組合成的箱型構件，斷面尺寸為1200 mm ×1200 mm；120～286 m標高的塔身主材采用的是60 mm～25 mm厚鋼板焊成十字柱組合成的箱型構件,斷面尺寸為800 mm ×800 mm；286 m以上塔頭結構考慮到塔頭的鞭稍效應和導地線振動比較嚴重，全部采用螺栓連接，塔身主材采用由四個角鋼組成的十字斷面，橫擔和塔身斜材均采用2根角鋼拼成的“T”型斷面。0～120 m和120～286 m標高的塔身斜材均采用單角鋼組合成的箱型構件,斷面尺寸為400 mm～1200 mm。120 m標高處既是塔身變坡位置，又是主材斷面尺寸突變的大節點，構件厚度達到65 mm至100 mm，構造非常復雜，單件重量高達17 t多。跨越塔主要斷面型式的典型示例見表1。

表1 主要構件型式

3 連接處螺栓的計算

3.1 受剪螺栓長節點的判斷及計算

因跨越塔內力較大，構件與構件用板和螺栓連接時,節點長度也較長，螺栓將會出現不均勻受力情況，為防止長節點螺栓受力時發生“解扣”式破壞，按照歐洲鋼結構設計規范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，需考慮長節點螺栓強度的折減問題。該標準的3.8(1)條規定：如果連接板螺栓群同一受力方向相距最遠兩個螺栓之間的距離Lj大于15d(d為螺栓直徑)時，需在計算螺栓剪力時乘一個折減系數βLf。

βLf的計算值應小于1，當計算值小于0.75時，應取0.75。

3.2 螺栓的受剪承載力

按照歐洲鋼結構設計規范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，對于8.8級螺栓，受剪承載力為：

式中：A為螺栓的實際抗剪面積；γM2安全分項系數，按照文獻[2]的2.2條，取1.25；fub單個螺栓的極限抗剪強度。

如果屬于長節點，即Lj＞15d，則按照文獻[2]的第3.8(1)條規定，上述計算的受剪承載力必需乘以降低系數βLf。

3.3 螺栓的孔壁承壓

按照歐洲鋼結構設計規范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，螺栓的孔壁承壓承載力：

式中：fu為螺栓的孔壁承壓強度；d為螺栓直徑；t為連接件厚度；αb取公式(4)中三個數值中最小值，其中αd為折減系數，按端部螺栓考慮，即αd取e1/3d0，e1為螺栓端距，d0為螺栓孔徑。

4 實腹式構件的計算

塔身主材之間通常采用內包角鋼外貼板的連接型式,并按雙剪或四剪計算。本工程的塔身主材規格均較大,除按中國規范方法進行接頭計算外，還按照歐洲鋼結構規范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－ 1：General rules and rules for buildings [EN 1993－1－1：2005E] 的規定對構件的連接進行了詳細計算。

4.1 連接斷面的抗拉強度承載力

文獻[3]的6.2.3節，連接斷面所承受的拉力NEd≤Nt,Rd。

Nt,Rd為承載力，取下列兩種情況計算值的較小值：

(1)連接斷面毛面積的塑性承載力

式中：A為連接斷面毛面積；fy為屈服應力；γM0為塑性承載力分項系數，文獻[3]的6.1 節γM0=1.0。

(2)連接斷面凈面積的極限承載力

式中：Anet為連接斷面凈面積；fu為極限抗拉強度；γM2為抗拉承載力分項系數，文獻[3]的6.1節γM2=1.25。

4.2 構件的抗壓曲屈承載力

文獻[3]的6.3.1節，構件所承受的壓力NEd≤Nb,Rd。

Nb,Rd為壓屈承載力：

式中：γM1為壓屈承載力分項系數，按照文獻[3]的6.1節第(1)條，γM1=1.0；χ為壓屈降低系數，根據文獻[3]的6.3.1.3節，判斷構件類別；按照正則化長細比，選取壓屈降低系數χ；正則化長細比見公式(8)。

5 120 m大節點的構造和計算

120 m節點(圖1)位于塔身的主要變坡位置，上下構件的斷面尺寸分別為800 mm×800 mm和1200 mm×1200 mm，斷面尺寸相差較大，而且設計壓力高達69469 kN，所以，成為特別關注的節點。為了將上部主材的內力可靠地傳遞給下部結構，研究設計了圖1所示的構造型式：在節點中央設計一個板厚100 mm隨塔身坡度一起彎折的正交十字形部件，四條角邊呈階梯狀，分別與上下錯開的十字柱焊接，四面用鋼板封閉，形成整體剛度很大的幾何不變體。中心十字柱將上下相互錯開的十字柱連成一體，滿足了主材、斜材、水平材和橫隔材之間內力傳遞的要求。120 m標高處單個節點的重有17 t多。

圖1 120 m處大節點

5.1 十字柱連板的抗彎計算

對于中心正交十字形連扳，因其既承受剪力又承受彎距，文獻[3]的6.2.8節，認為剪力的存在將降低板的彎距承載力，但當剪力較小時可忽略這種影響；當板承受的剪力VEd超過板的塑性剪力承載力Vpl,Rd的一半時，板的抵抗彎距應按式(9)計算：

并且應滿足：

式中：My,c,Rd為截面的設計抵抗彎距，按文獻[3]的6.2.5(2)，；Wpl為截面抵抗距，；ρ為截面的屈服強度折減系數，，；AW=AV為受剪面積，。

5.2 十字柱連板的抗拉計算

連接所承受的拉力：

式中：Nt,Rd為承載力；A為連接斷面毛面積；fy為屈服應力；γM0為承載力分項系數；文獻 [3]的 6.1節 ；γM0=1.0。

6 雙層塔腳板的構造要求

江陰大跨越塔的基礎下壓和上拔作用力分別達到71000 kN和53000 kN，如果按《架空送電線路桿塔結構設計規定》DL/T5154－2002，單板方案設計，采用Q345鋼材時，塔腳板的厚度也要達到130 mm。如此厚的鋼板，當厚度方向作用幾萬千牛的拉力荷載時非常容易出現層狀撕裂，對鐵塔安全極為不利。經過研究，決定改變傳統的設計思想，采用了雙層底板的結構型式。

雙層底板能將單層底板厚度方向的拉應力轉化成剪應力，消除了產生層狀撕裂的機理，保證了鐵塔結構的可靠性。大節點和塔腳板都是焊接結構，考慮到跨越塔結構具有一定的疲勞特性，所有主要受力焊縫均按美國鋼結構焊接規范Structural Welding Code Steel[AWS D1.1：2000 An American National Standard]規定的周期荷載的要求進行超聲波檢查。

7 結論

(1)雙拼“T”型斷面、四拼十字型實腹式、單角鋼組合成的箱型構件以及用厚板焊接十字柱組成的格構式型鋼結構，是輸電鐵塔一種安全實用的結構形式。

(2)為了將非常大的上部主材的內力可靠地傳遞給下部結構，可采用一個隨塔身坡度一起彎折的正交十字形幾何不變體，分別與上下錯開的十字柱焊接，以滿足主材、斜材、水平材和橫隔材之間內力傳遞的要求。

(3)板的厚度方向作用的拉力較大時，非常容易出現層狀撕裂，可采用雙層板的結構型式。