1 000 kV特高壓耐張鋼管塔橫擔結構選材分析

王智飛，默增祿，任宗棟，李士鋒，黃璜，張遨宇

(國核電力規劃設計研究院，北京市，100032)

0 引言

大容量和長距離輸電的需求，促進了電網技術的不斷進步，特高壓電網在我國應運而生。正在建設的淮南—皖南—浙北—滬西1 000 kV交流輸電工程(皖電東送)是國內首條特高壓同塔雙回輸電工程，由于鐵塔結構承受荷載較大，利用角鋼材料已經無法滿足承載力的要求。鋼管塔具有構件小、剛度大、結構簡潔、傳力清晰等優點，能充分發揮材料的承載性能，因此塔身主材、斜材等主要受力構件可優先選用鋼管構件［1-8］。橫擔為特高壓桿塔的重要組成部分，其上、下主材和斜材的受力和計算長度值分別小于塔身主材和斜材。本文以皖電東送線路工程鋼管塔為例，研究特高壓耐張桿塔導線橫擔的選材原則，為今后特高壓桿塔設計提供參考。

1 鋼管塔設計參數

皖電東送線路工程同塔雙回路SJ274鋼管塔設計條件為:最大風速27 m/s，導線覆冰厚度10 mm，水平檔距500 m，垂直檔距650 m，導線為8×JL/G1A－630/45－45/7，地線為1×LBGJ－240－20AC，轉角度數為30°～40°，結構重要系數為1.1。桿塔采用鴨嘴型橫擔，沿塔身向外收口［4］，各橫擔尺寸見表1。

表1 橫擔外形尺寸Tab.1 Size of cross arm

2 橫擔選材分析

2.1 橫擔主材

根據桿塔內力計算結果，橫擔上部主材承受拉力900～1 200 kN，下部主材承受壓力750～1 400 kN。橫擔上部主材采用單肢角鋼或鋼管均能滿足選材要求，橫擔下部受壓控制主材計算長度達3～4 m，單肢角鋼已不能滿足選材要求，若采用雙拼角鋼，則節點連接構造及掛點設置較為復雜，因此推薦耐張塔橫擔下部主材選用鋼管。本文對橫擔上、下主材選用鋼管(方案I)和上主材選用角鋼、下主材選用鋼管(方案Ⅱ)這2種方案進行計算分析，結果見表2。

表2 橫擔主材選材方案Tab.2 Selection scheme of main-legs for cross arm

與方案I相比，方案Ⅱ上部主材最大控制拉力增大5% ～9%，下部主材最大控制壓力減小6% ～12%，致使方案Ⅱ下部主材鋼管選材規格降1～2級。經分析桿件截面模量的變化是引起上、下主材內力重分配的主要原因。表3給出2種方案橫擔主材截面模量比值和質量比值。由表3可知:方案Ⅱ橫擔上部主材截面模量較方案I增大15% ～30%，橫擔下部主材截面模量較方案I減小10% ～25%;2種方案的質量指標基本相當，并無明顯變化。

表3 橫擔主材截面模量及質量比值Tab.3 Ratio of section modulus and mass of cross arm's main-legs

經對比分析，2種方案的橫擔風荷載變化量均較小，與整個桿塔風荷載相比可忽略不計;考慮到角鋼單價優勢明顯，若上部主材采用角鋼，其與塔身及橫擔下部主材的連接方便且構造簡單。

2.2 橫擔正面斜材

對橫擔正面斜材按照鋼管和角鋼分別優化選材，經計算各橫擔相同位置的選材規格基本相同，主要是由長細比控制選材，鋼管受最小規格限制，桿件規格均為φ89 mm×4 mm或φ102 mm×4 mm;正面斜材采用角鋼時塔質量比采用鋼管的大0.2 t左右，約占總塔質量的0.07%。

橫擔正面垂直方向桿件投影面積如表4所示。由表4可知:正面斜材采用角鋼的投影面積僅比鋼管大1%左右;橫擔正面斜材采用角鋼或鋼管對塔身風荷載影響并不大。同時，該部位采用角鋼時的加工及安裝難度與采用鋼管相當。考慮立塔后整體外觀效果，推薦橫擔正面斜材采用鋼管。

表4 橫擔正面垂直方向桿件投影面積Tab.4 Vertical projected area of cross arm m2

2.3 上、下平面交叉斜材

橫擔上、下平面交叉斜材按照角鋼和鋼管分別選材，計算結果表明:角鋼選材范圍在└100 mm×7 mm至└160 mm×10 mm之間，長細比為110～180;鋼管選材受微風振動長細比限值影響，范圍為φ89 mm×4 mm至 φ159 mm ×4 mm，長細比為90～130。

表5為各橫擔上、下平面斜材選用鋼管和角鋼質量之比。經計算，選用鋼管的理論計算質量合計為4.9 t，而考慮鋼管連接插頭、連接板及連接螺栓等部件后的施工圖質量合計為7.1 t，質量增幅40%以上。表6為不同選材結果的施工圖質量統計，可見橫擔上、下平面斜材選用角鋼其質量較鋼管增加1.3 t，對塔質量影響約1%，對塔質量整體影響并不明顯。

?

?

綜上，橫擔上、下平面交叉斜材選材的鋼管均為小直徑的無縫鋼管，單價較高，與角鋼相比存在明顯競價劣勢，由其塔質量引起的經濟優勢將大為減小。對于鋼管構件，無論是相貫連接或插板連接，都存在較大的焊接工作量，焊縫質量直接影響到鐵塔結構的安全可靠［5-6，9］，尤其影響直接承受動荷載的橫擔結構的安全，并且橫擔交叉斜材采用鋼管拼裝難度較大，而選用角鋼則不存在類似問題。

2.4 橫擔上、下平面交叉斜材彎曲撓度

交叉斜材在自重荷載作用下，產生彎曲變形，稱為“塌腰”，斜材中點出現最大撓曲變形。梁的撓曲線方程［10］為

式中:x為變形前梁的軸線方向;ν為梁橫截面形心沿梁軸線垂直方向的撓度;M(x)為梁自重彎矩;EI為梁截面彎曲模量。

橫擔交叉斜材可近似為簡支梁結構形式。由簡支梁邊界條件，對撓曲方程二次積分，可得梁中點最大撓度為

式中:q為梁自重沿長度方向的均布荷載;l為梁跨長。

將交叉斜材分別選用角鋼與鋼管，計算其最大彎曲撓度，表7為橫擔第1組交叉斜材最大撓度占桿件總長百分比。

由表7可知，斜材選用角鋼或鋼管的最大撓度值為桿件長度的0.01% ～0.39%;角鋼與鋼管撓度比為0.50～1.36，僅左下與右下橫擔處比值達3.9左右，但最大撓度絕對值不到3 mm。由此可見，交叉斜材選用角鋼或鋼管其撓度絕對值均較小，采用角鋼的彎曲撓度并不都大于鋼管，部分桿件的撓度變形要小于鋼管。

表7 橫擔斜材最大撓度Tab.7 Maximum deflection of cross arm's diagonal members

3 結論

(1)橫擔上主材采用角鋼或鋼管，其上、下主材內力發生重分配，并影響橫擔下主材選材規格;橫擔上主材采用角鋼在安全性和經濟性方面是可行的;橫擔下主材建議采用鋼管。

(2)橫擔正面斜材采用角鋼或鋼管，對桿塔內力變化影響可忽略不計，考慮桿塔正面整體美觀性，建議橫擔正面斜材采用鋼管。

(3)上、下平面交叉斜材采用角鋼或鋼管的自重最大彎曲撓度值與桿件長度之比為0.01% ～0.39%，撓度絕對值均較小;角鋼與鋼管的最大撓度之比為0.50～1.36，斜材采用角鋼的撓度值并不都大于鋼管。

(4)綜合經濟性及加工安裝因素，橫擔上、下面交叉斜材采用角鋼構件較為合理。

［1］劉振亞.特高壓電網［M］.北京:中國電力出版社，2005:132-138.

［2］郭日彩，李明，徐曉東，等.加快電網建設新技術推廣應用的研究與建議［J］.電網技術，2006，30(2):23-29.

［3］廖宗高，張克寶.關于輸電鋼管塔設計有關問題的探討［J］.電力勘測設計，2005(4):55-58.

［4］國核電力規劃設計研究院.1 000 kV特高壓SJ274轉角塔施工圖［R］.北京:國核電力規劃設計研究院，2011.

［5］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.

［6］國網北京電力建設研究院，中國電力工程顧問集團公司.1 000 kV級交流特高壓輸變電工程關鍵技術研究報告［R］.北京:國網北京電力建設研究院，2006.

［7］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.

［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］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.

［10］聶流琴，孟廣偉.材料力學［M］.北京:機械工業出版社，2004:147-160.