1 000 kV特高壓鋼管塔塔身變坡節點的優化設計

黃璜，任宗棟，默增祿，李士鋒，王智飛

(國核電力規劃設計研究院，北京市，100032)

0 引言

隨著特高壓電網建設的持續進行，桿塔荷載與質量越來越大，實際需求和現實產能的矛盾表現得越來越突出，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的鋼管結構［1］。

2009年，國內電力設計院為1 000 kV淮南—上海(皖電東送)特高壓雙回路輸電線路工程設計了一系列的鋼管塔(稱為“第一代鋼管塔”)。由于“第一代鋼管塔”設計處于摸索階段，設計過程中節點板連接代替普通使用的相貫焊接等重大改進成功得到驗證，同時通過真型試驗也暴露出了節點設置不合理、設計指標偏高等問題。

鋼管塔塔身變坡節點的優化設計是提高可靠性、降低塔重的關鍵所在。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轉角塔為分析對象，結合“第一代鋼管塔”施工圖塔身變坡節點的處理經驗，對塔身變坡節點進行了多方案的優化設計與分析，提出了SJ276轉角塔塔身變坡節點處理的合理方案，并總結其在實際工程中的應用，供設計人員參考。

1 鋼管塔塔身變坡節點布置方案

目前國內輸電鋼管塔塔身變坡節點處理大多為如下2種方案。

第1種方案為大板對焊式(如圖1)。此方案塔身變坡處上下主管通過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。該方案優點是節點安全可靠，缺點為節點復雜、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剛性法蘭盤連接在一起。該方案優點是節點構造簡單清晰，缺點為下法蘭板異形，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塔設計與塔身變坡節點驗算

2.1 SJ276塔設計計算

SJ276塔設計條件與設計原則嚴格按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》與國家電網公司相關會議精神的要求。SJ276塔呼高為48 m，導線型號為8×JL/G1－630/45，地線型號為LBGJ－240，風速為27 m/s，檔距為500 m，垂直檔距為650 m，轉角度數為50°～60°，SJ276 塔單線圖見圖3。

SJ276塔設計考慮了大風、覆冰、斷線、安裝與不均勻冰共126個工況，通過軟件計算分析，變坡節點處最大壓力為8 954 kN，最大拉力為7 163 kN，變坡處上下主管的規格為Q345φ762 mm×15 mm。

2.2 塔身變坡上下主管的局部屈曲驗算

由 GB 50017—2003《鋼結構設計規范》［3］5.4.5條規定，可知主管局部屈曲驗算如下:

式中fy為材料屈服強度，N/mm2。

2.3 塔身變坡處節點驗算

2.3.1 采用大板對焊式方案的變坡節點驗算

(1)主管與大板焊縫的驗算。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取值過大，冷卻時將加大焊接收縮變形，同時也可能要施焊2道才能實現要求的hf，因此宜采用較小值，hf通常取18 mm。材料焊縫極限強度為

式中:lw為焊縫長度，mm;βf為強度計值增大系數為角焊縫強度設計值，查表取200 N/mm2。由式(3)計算可得材料焊縫極限強度為7 305 kN，大于最大拉力7 163 kN，滿足設計要求。

(2)塔身變坡處連接節點驗算。根據Q/GDW 391—2009《輸電線路鋼管塔構造設計規定》［5］第9條進行節點驗算。圖4為計算用參數含義示意。

圖4 變坡處設計計算各參數示意圖Fig.4 Design parameters of slope change

圖4中各參數的取值及各桿件受力(負號表示受壓)見表1。

表1 計算參數取值Tab.1 Parameters for calculation

節點上作用的扭矩

拉(壓)力

剪力

由表1數據可得 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Q/GDW 391—2009《輸電線路鋼管塔構造設計規定》［5］表9.2.1節點類型5，可計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，節點滿足承載力要求。

2.3.2 采用法蘭螺栓連接式方案的變坡節點驗算

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

(2)法蘭盤板厚度驗算。法蘭盤的最大彎矩

經計算，Mmax=53.33 kN。

法蘭盤板的厚度t取48 mm，經驗算，滿足下式:

式中:f為材料強度設計值，取值305 N/mm2。因此，法蘭盤板厚的取值滿足設計要求，法蘭盤板厚度取值合理。

(3)法蘭盤加勁板焊縫的驗算。

法蘭盤板豎向對接焊縫剪應力

式中:α為反力比系數，其值為0.83和;h為加勁板的高度，mm。

計算可得剪應力值為88.5 N/mm2，小于規定的200 N/mm2，符合設計要求。

垂直于焊縫長度方向的拉力

式中:S1為加勁板下端切角高度，mm;e為偏心矩，mm。計算可得 σfv的值為163.2 N/mm2，小于規定的200 N/mm2，符合設計要求。

同時，又有焊縫折算應力

可見，焊縫折算應力滿足設計要求。

水平對接焊縫的拉力

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。計算可得σfh的值為187 N/mm2，小于規定的200 N/mm2，符合設計要求。

通過以上分析計算，塔身變坡處節點采用大板焊接式與采用法蘭螺栓連接式2種方案，只要設計參數取值合理，都能滿足受力要求，安全可靠。

3 塔身變坡處采用2種連接方式的塔質量對比

SJ276塔塔身變坡處分別采用大板對焊式與法蘭螺栓連接式后，只影響變坡節點處上下主管2張施工圖(SJ276－14、SJ276－15)，塔質量整理見表2。

表2 SJ276塔變坡采用2種方案塔質量對比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焊式塔質量比采用法蘭連接式塔質量增加約5 t，約占整個塔質量的2%。分析SJ276塔變坡處采用2種連接方式塔質量相差大的原因為:

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

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

4 結論

(1)通過計算分析，鋼管塔塔身變坡處采用大板對焊式與法蘭螺栓連接式，只要參數取值合理，結構均安全可靠。

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

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

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

［2］GB 50009—2001建筑結構荷載規范［S］.北京:中國計劃出版社，2002.

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

［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］Q/GDW 391—2009輸電線路鋼管塔構造設計規定［S］.北京:中國電力出版社，2010.

［6］Q/GDW 178—2008 1 000 kV交流架空輸電線路設計暫行技術規定［S］.北京:中國電力出版社，2008.

［7］國核電力規劃設計研究院.1 000 kV特高壓SJ276轉角塔施工圖［R］.北京:國核電力規劃設計研究院，2011.

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

［9］楊靖波，李茂華，楊風利.我國輸電線路桿塔結構研究新進展［J］.電網技術，2008，32(22):77-83.

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