500/220 kV四回路SSZT1懸垂塔真型試驗及分析

葛保斌，邊馮博，朱楊春，董建堯

(1.華東電力設計院，上海市，200001;2.中國國電集團公司諫壁發電廠，江蘇省鎮江市，212006;3.中國電力工程顧問集團公司，北京市，100120)

0 引言

為確保國電諫壁發電廠(送出)500 kV輸電線路安全、可靠地運行，華東電力設計院委托中國電力科學研究院河北霸州特高壓桿塔試驗基地對本工程使用量最大的SSZT1-39四回路懸垂塔(V型串)進行了真型塔試驗，以檢驗鐵塔的強度、剛度、穩定性能及變形協調能力，檢驗鐵塔的節點構造合理性與可靠性。本文將根據對試驗數據的處理以及理論分析，探討試驗過程中出現的問題。

1 試驗塔塔型及工況

本工程中SSZT1塔型全線用量最大，且該塔型的結構布置、內力計算和結構構造在本工程中具有典型性和代表性。試驗塔呼高取計算標準呼高為39 m，全高為90.65 m，結構主材采用Q420B高強度角鋼，單線圖如圖1所示，試驗塔設計條件如表1所示。

SSZT1塔共完成55個工況計算，選取控制工況18個，如表2所示。

圖1 SSZT1－39試驗塔單線圖Fig.1 Single line drawing of SSZT1－39 tower

表1 SSZT1－39試驗塔設計條件Tab.1 Design condition of SSZT1 －39 tower

2 試驗情況及結構分析

桿塔試驗除工況7和工況18外［1］，其余工況均一次性順利通過了100%的載荷試驗。雖然試驗圓滿完成，但試驗過程中遇到的問題值得重視，并需在今后的試驗方案設計和鐵塔施工圖設計中加以改進。

2.1 工況7試驗情況及分析

工況7為斷500 kV上導線左右兩相、同時斷右地線［2］，其他未斷(地線加荷點在節點20上)。當加載至95%時，第1、7觀測點的縱向位移分別為815、678 mm;當荷載加至96%時，桿件310—350、160—310(施工圖編號209、210)在靠近310節點上方附近首先平面外失穩(彎曲)，同時350—380桿件受壓變形，導致整個橫擔下沉破壞(橫擔布置如圖2所示，局部結構如圖3所示，橫擔整體破壞情況如圖4所示)。

表2 試驗工況Tab.2 Loading conditions

圖2 右上橫擔結構布置Fig.2 Structure of upper right cross arm

圖3 右上層橫擔局部結構Fig.3 Local structure of upper right cross arm

經復核計算書，桿件310—350、160—310在工況7時的桿件計算應力為-26.62 kN/cm2，允許應力百分比為86%，桿件計算長細比為116，為穩定控制，試驗荷載及桿件計算長度經查無誤、計算準確，滿足設計規范。

圖4 右上層橫擔破壞位置Fig.4 Failure location of upper right cross arm

經分析，試驗塔地線頂架較高(達到4.5 m)，斷右側地線和右側導線，使右上橫擔承受彎、扭共同作用。設計時已考慮將橫擔上下平面“封閉”，理論計算時導、地線產生的縱向剪力由橫擔上、下傳遞，垂直力由前后側立面承擔。但實際受力時，導、地線斷線張力將對橫擔產生不平衡扭矩，并將通過右上橫擔上下平面及前后立面共4個面分擔，若正面和底面的斜材因扭矩引起內力的增加超過了構件自身的承載能力，將會導致桿件的屈曲失穩，這是試驗中桿件310—350、160—310(施工圖編號209)在靠近310節點上方附近首先平面外失穩屈曲的主要原因。根據文獻［3］對單根角鋼兩端偏心連接桿件承載力的分析，對本次試驗桿件310—350、160—310在工況7時分別按照文獻［4-5］軸心受壓桿件承載力計算公式，對L70×6角鋼驗算桿件容許承載力，結果如下:

(1)按文獻［4］受壓穩定計算方法，其設計承載力為88.79 kN，若按該構件實測的屈服強度400 N/mm2得到實際承載力為105.1 kN。

(2)按文獻［5］軸心受壓桿件計算方法，其設計承載力為67.41 kN，若按該構件實測的屈服強度400 N/mm2得到實際承載力為77.21 kN。

試驗塔桿件310—350、160—310在工況7時的計算壓力為74.46 kN，小于按文獻［4］方法計算所得的設計承載力，也小于上述2種方法依據構件實測強度計算所得的實際承載力，但略大于按文獻［5］方法計算的設計承載力。可見，對于單根角鋼兩端偏心連接的桿件按文獻［4］計算時承載力偏大，這也是桿件310—350、160—310破壞的原因之一。

2.2 工況18試驗情況及分析

工況18 為 60°大風(超載)［2］，當天風速正常。當荷載加至95%時，第1、7觀測點的橫向位移分別為677、661 mm，塔腿主材最大應變為-1 457με(桿件編號為2701)，塔身主材最大應變為-1 466με(桿件編號為1403)，位移和應變均正常。當荷載加至100%時，持荷15 s后D腿17段主材首先屈服(桿件編號1701、1703)，如圖5所示，最終導致整塔倒塌、試驗終止。

圖5 SSZT1試驗塔倒塔瞬間17段主材屈曲情況Fig.5 Bending of the 17th principal material while SSZT1 testing tower collapses

綜合90%、95%荷載下塔身各部位的應變情況，盡管鐵塔雙拼主材(含塔腿主材、塔身主材)的內力存在兩肢分配不均的現象，但是其應變所反映出來的應力均在設計強度的范圍內，在理論上不大可能會引起主材在該應力水平下的屈服。

該主材長細比為39，長細比較小。通常小長細比的主材存在一定的彎扭作用，而實際的計算忽略彎扭的作用，但隨著內力的加大，彎扭的效應會有增大的趨勢。通過有限元分析結果［6-8］顯示考慮彎扭效應引起的桿件的總應力為385.62 MPa，未考慮彎扭效應時桿件的應力為329.3 MPa，可以看出彎扭效應引起的應力為56.32 MPa。考慮彎扭效應后的總應力雖然已超過鋼材的設計強度，但僅超出1.5%，理論上不應出現塔材的突然屈曲。

3 構件材性試驗

由于鐵塔桁架計算和有限元分析均顯示結構在該應力水平下不易發生突然屈曲，故對桿塔的材料進行了相應的材性試驗。材性試驗顯示Q420高強度鋼材的屈服強度的裕度均不大，有的甚至剛好是420 MPa，且送檢的Q420高強鋼材料金相檢驗和化學成分檢驗結果與Q345材料存在較大差異，Q420高強度鋼材強度儲備低且塑性能力差可能也是主材構件提前屈服的主要原因之一。本塔上部分Q345和Q420鋼構件機械性能如表3所示。

另外文獻［9］規定，無論是Q345B和Q420B鋼材，對于磷、硫等雜質的控制要求是一樣的，即對于B級鋼，磷、硫含量均應不超過0.035%。從送檢試件的化學成分分析報告可以看出，盡管送檢的各構件化學成分均滿足該國家標準的最低要求，但Q420鋼材的磷、硫含量明顯要高于Q345鋼。尤其是1701、1703桿件的磷含量分別達到0.032% 和0.034%，已經接近標準的上限0.035%。磷含量偏高將使鋼材的塑性、韌性顯著降低。如果磷在鋼材結晶過程中，產生晶內偏析，將導致構件局部地區含磷量偏高，使鋼材的冷脆轉變溫度明顯升高，從而導致發生冷脆的幾率大大增加。有時鋼材的這種冷脆表現為突然、沒有先兆，對結構十分危險。

表3 Q345和Q420鋼機械性能Tab.3 Mechanical properties of Q345 and Q420

從金相組織檢驗報告可以看出，1301和1303試樣的金相表現為“鐵素體+細珠光體”，呈帶狀分布，這是角鋼結構正常的金相組織形式，盡管帶狀會使鋼材的力學性能呈現出方向性，但是對于角鋼結構軸向受力來說基本不會造成影響。而1701、1703和209試樣的金相表現為“鐵素體+細珠光體”，并含有少量的魏氏組織，且從金相照片來看金屬組織較1301和1303粗大。而魏氏組織的存在會降低鋼材的力學性能，尤其是顯著降低鋼材的塑性和沖擊韌性，當然這和鋼材的碳當量有密切的聯系，但化學成分報告顯示1701、1703和209試樣盡管碳的含量較正常，而硅含量普遍偏高，209試件的硅含量已經高達0.48%，接近于國家標準規定的上限0.50%，這也是引起上橫擔209構件局部屈曲失穩的原因之一。同時又發現1701第2個試件的沖擊功為93 J，而其他Q420鋼材的沖擊功均大于110 J(110～163 J)。綜合以上的分析并結合1701、1703金相組織與1301、1303的差別，可以認為鋼材性能的較大差異也是引起第2段橫擔斜材和第17段塔身主材無先兆屈服的原因之一。

4 結構解決方案

針對試驗中發生的橫擔斜材破壞情況及以上的分析結果，改進了試驗模型和結構方案。基于對第7工況桿件損壞原因的分析判斷，有針對性地對上橫擔結構的局部構件作適當調整，將桿件160—310、310—350(施工圖編號 209、210)和桿件 140—270、270—320(施工圖編號217、218)以及桿件120—230、230—280(施工圖編號227、228)規格作如下修改(每基塔質量增加196 kg)，見表4所示。

表4 杠桿規格修改Tab.4 Specification modifications

確定修改方案后，同時對右上層橫擔部分已經損壞的桿件進行了更換并重新安裝，隨后再次對工況7進行了荷載試驗，當荷載加至100%時第1、2觀測點的縱向位移分別為1 329、990 mm，位移正常，該工況順利通過試驗。

針對超載工況100%持荷過程中主材的突然屈服破壞情況和上述分析及材性試驗，對該試驗塔的計算、設計、試驗情況和試驗數據進行了復核、分析和討論，認為SSZT1試驗塔結構布置合理、計算正確，屬于常規設計，滿足有關規程、規范和國家強制性條文的要求和規定;同時，SSZT1試驗塔的試驗方案合理、試驗荷載正確、試驗工況選擇得當，加荷次序合理。同時對SSZT1試驗塔進行了ANSYS有限元分析，分析結果表明該塔計算正確，且已經通過了95%加荷試驗，根據文獻［10］要求可視為試驗通過。

考慮到本工程已經考慮了1.1的結構重要性系數，比其他常規500 kV線路提高了10%以上的可靠度，且設計計算文件準確無誤;同時通過對該塔型的實際使用情況進行統計發現，該塔在實際使用中檔距均有3%以上的裕度。根據分析，該塔完全能滿足實際工程需要，建議不增加主材規格。

5 結語

(1)SSZT1試驗塔經過16個工況的真型試驗，且在超載工況(主材控制工況)中100%加荷完成，并持荷約15 s，說明桿塔結構設計合理、鐵塔指標控制優秀，根據規范規定可以認定試驗塔通過試驗。

(2)兩端偏心連接單根角鋼桿件以及高強鋼雙拼角鋼填板連接組合構件的真型塔試驗結果與理論計算差異較大，建議在今后的設計中對于此類構件可適當留有一定的安全裕度，并進一步開展該類構件的試驗和研究工作。

(3)試驗過程中，上導線橫擔斜材和17段塔身主材發生屈服現象，除實際結構和計算模型上存在的差異外，材料性能也是一個不容忽視的主要原因。建議在鐵塔招標和鋼材采購時嚴把材料質量關，以保證鐵塔的質量和線路運行安全。

［1］中國電力科學研究院.國電500 kV諫壁—丹鳳送電線路工程SSZT1懸垂塔實驗報告［R］.北京:中國電力科學研究院，2010.

［2］華東電力設計院.SSZT1-39試驗塔真型試驗匯報材料［R］.上海:華東電力設計院，2010.

［3］耿景都.單根角鋼兩端偏心連接的桿件承載能力評估［J］.電力建設，2007.28(2):27-29.

［4］DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］.北京:中國電力出版社，2002.

［5］GB 50017—2003鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［6］龔曙光.ANSYS操作命令與參數化編程［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［7］李黎明.ANSYS有限元分析實用教程［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［8］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［9］GB/T 1591—2008低合金高強度結構鋼［S］.北京:中國標準出版社，2008.

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