輸電桿塔典型對接焊接接頭設計分析

黎興文 劉志全

（廣東安恒鐵塔鋼構有限公司，廣東 佛山528000）

0 引言

近年來，輸電線路桿塔越來越多地采用鋼管塔和鋼管桿，因為桿塔外負荷的增大，角鋼塔也更多采用雙拼和四拼角鋼主材，因此，焊接連接節點在桿塔結構中的應用越來越多。不少設計人員對焊縫的設計存在一些錯誤的認識，在工程設計中盲目作出決定，從而對工程成本與質量造成了不良影響。為此，本文對桿塔結構中所使用的典型對接焊接接頭進行分析和設計，幫助相關技術人員正確認識和理解，從而使其在工程建設實踐中正確使用，保證質量、節約成本。

1 接頭類型和焊縫形式

日常工作中，經常可以看到一些設計人員盲目地將桿塔結構中的焊縫質量等級定為一級、二級，而不去考慮焊接節點中的接頭類型和采用的焊縫形式，另外，很多人員對接頭類型和焊縫形式的概念也不清楚。

輸電桿塔結構的焊接連接中使用較多的接頭類型為對接接頭、T形接頭、十字接頭、搭接接頭，另外也少量使用到角接接頭，這些接頭類型簡圖如圖1所示。

圖1 接頭類型

《焊接術語》［1］把對接接頭定義為“兩件表面構成大于或等于135°，小于或等于180°夾角的接頭”。

焊縫的基本形式為對接焊縫和角焊縫，文獻［1］把對接焊縫定義為“在焊件的坡口面或一零件的坡口面與另一零件表面間焊接的焊縫”，而角焊縫則為“沿兩直交或近直交零件的交線所焊接的焊縫”。

桿塔結構中的焊縫形式主要有對接焊縫、角焊縫、對接與角接組合焊縫3種，如圖2所示。在《鋼結構設計規范》［2］等相關標準中，焊縫的強度計算分為對接焊縫和角焊縫2種，對接與角接組合焊縫則根據其是否焊透而有不同的計算方式，全焊透的作為對接焊縫對待，部分焊透的則看作角焊縫。

圖2 桿塔結構常用焊縫形式

值得注意的是，并非對接接頭就只能采用對接焊縫連接，也并非只有角接接頭才用角焊縫連接，雖然接頭類型不同，但接頭的焊縫形式是可以相同的。

對接接頭的焊縫形式一般有以下3種，如圖3所示，如接頭兩構件厚度相同則采用對接焊縫，接頭兩構件厚度不同則可用角焊縫或對接與角接組合焊縫連接。

圖3 對接接頭焊縫形式

2 典型對接接頭焊縫設計分析

桿塔結構中常見的屬于對接接頭的焊接節點有鋼管的環向對接、帶頸法蘭與鋼管的環向對接、角鋼的橫向對接（焊縫方向與角鋼軸向垂直）、由鋼板或鋼帶制作成鋼管時的縱向對接或螺旋縫對接、角鋼與鋼板對接、鋼板與鋼板對接等，節點示例如圖4所示。

圖4 桿塔結構典型對接接頭

下面對桿塔中這些典型的對接焊接接頭節點進行分析和設計。

2．1 鋼管的環向對接

一般情況下，主要承受軸力的桁架結構中的鋼管、型鋼構件或主要承受彎矩的鋼管桿均應盡可能避免采用與軸向垂直的橫向對接焊接，盡管設計規范允許環向對接。但鋼管塔變坡節點的環向對接、帶頸法蘭與鋼管的環向對接除外，這些連接中，焊縫兩邊構件厚度基本相同，焊縫的受力方向與焊縫的長度方向垂直（或接近垂直），鋼管的受力完全通過焊縫來傳遞，雖然鋼管在實際結構中要進行受壓穩定計算（鋼管軸壓穩定系數一般小于0．9［3］）而使鋼管的實際承載力比最大承載力有所減小，但從安全角度考慮，此類焊縫的承載能力不應低于鋼管的承載能力。因此，其須作為全焊透的等強對接焊縫，質量等級不應低于二級，且鋼管塔變坡節點會另外增加一些加勁板以提高結構安全性。

《架空輸電線路鋼管塔設計技術規定》［4］規定“鋼管的環向對接焊應為全焊透的等強度對接焊，其質量等級不應低于二級”。《輸變電鋼管結構制造技術條件》［5］則規定環向對接焊縫為一級焊縫。由此可知，制造標準比設計標準的要求更高。

2．2 角鋼的橫向對接

角鋼拼接可以提高材料利用率，節約鋼材，減少資源浪費，從理論上說，是一種經濟有效的方法。但現實中，角鋼拼接不但沒有得到推廣，而且恰好相反，一直應用極少，其主要受以下因素的限制：（1）大家一直以來對焊縫的可靠性存在過度的擔憂和顧慮，即使焊縫經過內外部檢測證實質量滿足要求；（2）對角鋼進行拼接雖然可以很好地節約鋼材，減少浪費，但這樣的方式反而落得以次充好、偷工減料的嫌疑，使各方都有所顧忌而不敢應用；（3）除了可靠性方面的擔憂外，角鋼拼接可能會影響美觀。

1990版《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》［6］規定“單角鋼的拼接，如能保證連接焊縫強度與鋼材強度相等時可僅采用對接焊縫進行拼接”。但2002版《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》［7］及《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》［8］對角鋼的拼接則沒有了相應的條文規定。彎曲角度較大的角鋼如圖5所示，角鋼拉伸區域的邊厚度會大幅減少，從而嚴重削弱角鋼的承載能力，這種情況下，角鋼通常采用割豁再用相同材料填板進行橫向焊接的方式處理。這種節點主要應用于鐵塔結構的變坡節點處。該連接與鋼管環向對接相同，焊縫兩邊構件厚度相同，焊縫的受力方向與焊縫的長度方向垂直（或接近垂直），桿件的受力完全通過焊縫來傳遞，因此須作為全焊透的等強對接焊縫，質量等級不應低于二級。

圖5 彎曲角鋼

《輸電線路鐵塔制造技術條件》［9］對上述焊縫同樣規定為質量等級不應低于二級。

2．3 焊接鋼管制管時的縱向對接

根據對接接頭的定義，圓截面直縫或螺旋縫鋼管和邊數為8及以上的多邊形截面直縫鋼管屬于對接接頭。對于鋼管桿常用的套接（插接）連接的外套管的縱向對接焊縫，如圖6所示，因外套接頭處的焊縫受力較大，出于偏安全角度考慮，《架空送電線路鋼管桿設計技術規定》［10］規定1．5倍多邊形外套管內對邊尺寸加200mm范圍內的縱向焊縫必須100%焊透并施行100%超聲波檢查或100%磁粉探傷，但沒規定焊縫最終質量等級。

圖6 套接鋼管桿

按照上述設計規范，要求焊縫為100%焊透但沒規定焊縫質量等級，這樣的焊縫質量等級依然為三級，而全焊透三級焊縫的強度為母材強度的85%，因為雖然此焊縫的受力較大，但還沒達到與母材等強的要求。而文獻［5］、［11］則對此焊縫均規定為全焊透一級焊縫。由此可知，制造標準比設計標準的要求高。

對于非套接連接的鋼管的縱向對接焊縫，焊縫的作用主要是連接鋼管成型后兩邊的板邊緣，使鋼管保持穩定的封閉式截面，焊縫實際受力較小，不須計算強度，這種焊縫實際上屬于構造焊縫（或稱非承載焊縫、聯系焊縫），因此，此焊縫可作為不要求焊透的縱向對接焊縫，質量等級為三級。文獻［11］、［12］規定此焊縫的焊接有效厚度不小于母材厚度的60%，此規定經10多年的工程應用和實際運行已被驗證為安全可靠的。但文獻［5］對此焊縫要求有所提高，要求為全焊透。螺旋縫鋼管在輸電桿塔中極少應用，螺旋縫鋼管的焊縫其作用與非套接連接的鋼管的縱向對接焊縫的作用相同，因此這種焊縫也屬于構造焊縫。

2．4 角鋼與鋼板對接

輸電桿塔中常見的角鋼與鋼板對接接頭是斜材連接節點板與角鋼主材的連接，如圖7所示，節點板要同時滿足螺栓孔壁承壓強度、受拉強度、穩定性的要求。

圖7 節點板有效寬度

如圖7所示的連接節點板，多數國家采用有效寬度法計算承載力，試驗認為斜材軸力N通過連接件在節點板內按照一定的應力擴散角度θ（取30°）傳至連接件端部與N相垂直的一定寬度范圍，這一寬度稱為有效寬度be［2］。節點板的強度除應滿足螺栓孔壁承壓外，還應滿足公式（1）：

式中，be為節點板的有效凈寬度，應減去孔徑（mm）；t為節點板厚度（mm）；N為作用于節點板的力（N）；f為鋼材強度設計值（N／mm2）。

文獻［2］、［4］、［8］規定節點板邊緣與斜材軸線的夾角不應小于15°，即節點板要滿足穩定性方面的要求。因此，節點板的實際寬度b、有效寬度be、滿足穩定所需的板寬度三者的數值決定了節點板和角鋼對接焊縫的設計要求。當節點板滿足穩定所需的板寬度是節點板有效寬度的1．18倍以下或節點板的實際寬度小于等于節點板的有效寬度時，節點板和角鋼的對接焊縫應與母材等強，焊縫為全焊透，質量等級不應低于二級；當節點板滿足穩定所需的板寬度是節點板有效寬度的1．18倍及以上時，節點板與角鋼的連接焊縫可按全焊透三級焊縫考慮。

當斜材與角鋼主材的夾角為90°時，節點板滿足穩定所需的板寬度最小，隨著斜材與角鋼主材的夾角變小節點板寬度將變大。當斜材與角鋼主材的夾角不是90°時，節點板與角鋼主材的焊縫相對斜材來說是斜焊縫，文獻［2］、［4］、［8］均規定“當承受軸心力的板件用斜焊縫對接，焊縫與作用力間的夾角α符合tanα≤1．5時，其強度可不計算”，即α≤56．3°時，焊縫可為三級焊縫。

2．5 鋼板與鋼板對接

鋼板與鋼板的對接接頭在輸電桿塔中極少應用，但也有例外，如圖8所示的節點板，節點板由3個空間不共面的平面組成，通常需要割開后再焊接起來。

圖8 節點板對接接頭

鋼板與鋼板對接的焊縫設計方法和角鋼與鋼板的對接相同。當焊縫方向與作用力方向垂直或接近垂直時，如須與母材等強度，焊縫為不低于二級的全焊透焊縫；當焊縫長度與作用力間的夾角α≤56．3°時，焊縫可為三級焊縫；當焊縫只有不到50%的長度處于應力擴散角范圍內時，焊縫可為三級焊縫。文獻［5］規定鋼板的對接焊縫為全焊透二級焊縫，文獻［9］規定零件經豁口、制彎后再補焊的焊縫質量等級不應低于二級，這樣的規定都是從偏安全的角度去考慮而制定的。

3 建議

很多設計人員在設計圖紙中對焊縫提出一些不合理的盲目要求，如規定“掛點關鍵部位處焊縫焊接等級為一級，其余均為二級”，建議相關設計人員和焊接技術人員認真研讀《鋼結構設計規范》、《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》等設計規范的相關規定，充分準確理解并正確運用。由文中對比分析可知，桿塔相關制造規范對某些焊縫的質量等級要求過高（比設計規范的要求更高），無形中加大了施工制造的難度，造成了更多的資源浪費。建議更多地參考設計規范的規定來制定標準要求，甚至可以適當取消部分規定，把質量要求制定的職責歸還于設計，驗收時直接根據設計要求執行。

4 結語

本文對輸電桿塔典型的對接焊接接頭的焊縫進行了設計分析，供行業相關技術人員作參考，旨在拋磚引玉，引發大家對相關焊接設計給予更多的關注和研究，在焊接的設計、加工、驗收領域加以正確運用，實現安全可靠、先進適用、經濟合理、資源節約、環境友好的目標。

［1］GB／T3375—94 焊接術語［S］

［2］GB50017—2003 鋼結構設計規范［S］

［3］李清華，吳靜，邢海軍，等．特高壓鋼管塔鍛造法蘭優化設計研究［J］．中國電力，2013（6）

［4］DL／T5254—2010 架空輸電線路鋼管塔設計技術規定［S］

［5］DL／T646—2012 輸變電鋼管結構制造技術條件［S］

［6］SDGJ94—90 架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］

［7］DL／T5154—2002 架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］

［8］DL／T5154—2012 架空輸電線路桿塔結構設計技術規定［S］

［9］GB／T2694—2010 輸電線路鐵塔制造技術條件［S］

［10］DL／T5130—2001 架空送電線路鋼管桿設計技術規定［S］

［11］DL／T646—1998 輸電線路鋼管桿制造技術條件［S］

［12］DL／T646—2006 輸變電鋼管結構制造技術條件［S］