特高壓輸電線路鋼管塔主材次應(yīng)力研究

摘要：在 1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）真型試驗中，對鋼管塔的主材次應(yīng)力值及分布進(jìn)行了實際測量。通過對4基特高壓鐵塔有限元數(shù)值分析方法，得出了主材次應(yīng)力的分布規(guī)律及影響因素；并將計算結(jié)果與SZ2U塔實測結(jié)果進(jìn)行了比較；對5組縮尺比例的塔腿模型進(jìn)行了靜力加載，進(jìn)一步驗證了主材次應(yīng)力影響因素。對SZ2U塔腳節(jié)點建立了精細(xì)化有限元模型，考察了次彎矩作用下節(jié)點的受力性能和破壞模式；對按1000kV特高壓真型塔SZ2U和SZ272P結(jié)構(gòu)圖加工的兩組足尺塔腳節(jié)點進(jìn)行了破壞試驗，研究在次應(yīng)力影響下不同鋼材等級鋼管塔塔腳結(jié)點的受力性能和破壞模式。結(jié)果表明：實測SZ2U塔次應(yīng)力影響最大的位置在塔腳主材處，最大次應(yīng)力比值達(dá)到45%，采用考慮節(jié)點板剛度的計算模型與實測結(jié)果吻合較好。主材的次應(yīng)力不僅與主材長細(xì)比有關(guān)，還與塔腿主材和斜材的夾角，塔腿分格數(shù)，及塔身斜材的布置方式有關(guān)。塔腳節(jié)點在次彎矩作用下的破壞模式為主管受壓一側(cè)環(huán)形加強板上部管壁屈曲破壞。高強鋼較普通Q345有更好的塑性發(fā)展能力，在參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對截面徑厚比進(jìn)行限制時，對主材采用Q460鋼材，可適當(dāng)放寬對截面徑厚比的限制。

關(guān)鍵詞：特高壓；鋼管塔；真型試驗；次應(yīng)力；次彎矩；長細(xì)比；徑厚比；塔腳節(jié)點

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)迅速發(fā)展，特別是1000kV特高壓輸電線路的建設(shè)，使輸電線路鐵塔向大型化發(fā)展。鋼管構(gòu)件具有承載能力大，風(fēng)荷載體型系數(shù)小，傳力清晰等優(yōu)點，因而被逐步推廣應(yīng)用，目前在建的1000kV皖電東送淮南至上海特高壓工程全線采用鋼管塔[1～2]。

輸電線路塔設(shè)計中，現(xiàn)有的設(shè)計軟件一般采用整體空間桁架法進(jìn)行計算，桿件內(nèi)力按只有軸向力進(jìn)行設(shè)計。而實際的輸電鋼管塔節(jié)點多采用插板或法蘭連接，并不是理想的鉸接，尤其是鋼管塔，由于其抗彎剛度大，受到荷載作用時，節(jié)點處將產(chǎn)生較大的彎矩。這樣就會使鋼管塔的設(shè)計偏于不安全。因此，全面的考察次應(yīng)力對輸電鋼管塔的影響，提出考慮次應(yīng)力影響的鋼管塔的設(shè)計方法，意義重大。

國內(nèi)外對于特高壓輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力問題進(jìn)行了一些研究：韓軍科等[3]通過對六基特高壓輸電鋼管塔的分析指出：特高壓輸電鋼管塔桿端彎矩的大小與主材長細(xì)比密切相關(guān)，當(dāng)鋼管主材長細(xì)比小于34時，彎矩使主材產(chǎn)生的次應(yīng)力比值達(dá)到28%～34%，并給出了次應(yīng)力與長細(xì)比擬合的關(guān)系曲線。該文中提到的長細(xì)比34是根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]第10.1.4規(guī)定截面高度（或直徑）與節(jié)間長度或桿件長度之比大于1/12（主管）和1/24（支管）時，應(yīng)計算由節(jié)點剛性引起的次應(yīng)力這一規(guī)定得到的。李茂華等[5]結(jié)合特高壓雙回路鋼管塔（SZT2G）真型塔試驗[6]進(jìn)行分析指出：特高壓輸電鋼管塔的塔身主材最大次應(yīng)力已達(dá)到30%，次應(yīng)力的影響隨桿件長細(xì)比的增加而減小。但是SZT2真型塔試驗并沒有實測桿端的次應(yīng)力值，其主材的桿端次應(yīng)力值是按照理想的梁桿單元有限元模型計算得出。以往對主材次應(yīng)力的研究僅基于有限元計算，在真型塔試驗中，沒有塔身主材實測次應(yīng)力值的報導(dǎo)。同時，目前已開展的對輸電塔主材節(jié)點的研究中沒有研究過節(jié)點在次彎矩作用下的應(yīng)力發(fā)展、極限承載力和破壞模式等問題。

2010年1月，在國家電網(wǎng)公司霸州特高壓桿塔試驗基地對我地區(qū)設(shè)計的1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）進(jìn)行了真型試驗。該試驗在檢驗Q460高強鋼鋼管塔在各種主要荷載工況下受力桿件理論計算值和實際受力值的符合性，驗證塔型設(shè)計方案的合理性以及塔型結(jié)構(gòu)、節(jié)點構(gòu)造和連接法蘭的安全可靠性的同時，在主材桿端和桿中布點，實測了主材的桿端的次應(yīng)力值，為特高壓輸電鋼管塔的次應(yīng)力研究提供試驗依據(jù)[7]。

本文以SZ2U真型塔試驗為工程背景，首先對SZ2U及皖電東送淮南到上海工程中幾基我院設(shè)計的1000kV特高壓輸電鋼管塔進(jìn)行有限元分析，研究了主材長細(xì)、塔腿主材與斜材的夾角，主材徑厚比、塔身斜材的布置方式等參數(shù)對主材次應(yīng)力的影響；在以上分析的基礎(chǔ)上，通過對SZ2U的塔腿縮尺模型的試驗，對以上影響因素進(jìn)行驗證。其次，對SZ2U塔腳次應(yīng)力發(fā)展進(jìn)行有限元分析，與真型試驗進(jìn)行對比，重點分析了次彎矩作用下的應(yīng)力分布，塑性發(fā)展和破壞模式；進(jìn)一步通過SZ2U、SZ272P塔腳的足尺節(jié)點真型試驗，考察了塔腳節(jié)點在次應(yīng)力影響下不同鋼材等級鋼管的塑性發(fā)展能力和破壞模式。本文通過理論計算和試驗分析的對比，提出了供工程設(shè)計參考的結(jié)論。

1 SZ2U真型塔試驗簡介及結(jié)論

2010年1月16日-19日，在國家電網(wǎng)公司霸州特高壓桿塔試驗基地對我地區(qū)設(shè)計使用Q460高強度鋼材的1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）進(jìn)行了真型試驗，鐵塔塔身構(gòu)件全部采用鋼管，其中塔身主材及部分斜材為Q460。試驗共進(jìn)行了8個工況的荷載測試，其中60°大風(fēng)工況通過了130%的荷載試驗[7]。試驗在測試了Q460鋼管塔特性的同時，對塔身主材桿中及桿端應(yīng)力進(jìn)行了測量，主要結(jié)論如下：

1）在設(shè)計工況下，塔腳和塔身變坡處的次應(yīng)力值顯著。其次應(yīng)力比（即彎曲應(yīng)力占軸力應(yīng)力的百分比），在塔腳和塔身變坡處分別達(dá)到45.6%和26.2%。試驗得出的塔身在60°大風(fēng)工況100%設(shè)計荷載時最大應(yīng)力位置為最大受壓腿主材的塔腳處內(nèi)側(cè)45度方向，最大應(yīng)力值為-451N/mm2。

2）60°大風(fēng)工況在加載到95%時，塔腳處靠近塔中心45°方向應(yīng)變測點超過強度設(shè)計值；加載到105%，該應(yīng)變測點超過屈服強度；隨著荷載的進(jìn)一步提高，同一截面高度越來越多的測點達(dá)到屈服，當(dāng)加載到130%，大部分測點達(dá)到或超過屈服強度。

3）雖然主材的長細(xì)比均大于34，符合《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中第10.1.4條的規(guī)定[4]，但實測得到的部分測點的次應(yīng)力比仍大于規(guī)范條文說明中認(rèn)為的可以不考慮次應(yīng)力效應(yīng)的次應(yīng)力比例20%[8]。因此可以認(rèn)為長細(xì)比并不是影響輸電塔主材次應(yīng)力的唯一因素。

4）SZ2U試驗塔的塔腿主材長細(xì)比為41，塔腿主材和斜材的夾角為32°，有限元分析得到塔腳處次應(yīng)力比為31%，真型試驗實測得到的塔腳次應(yīng)力比為45.6%，兩者相差較大。分析原因是由于按理想的梁單元建立的有限元計算模型沒有考慮到節(jié)點板剛度的影響，尤其是在塔腳處等節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜的地方。進(jìn)一步通過節(jié)點板等效剛度的方法，將各個桿件端部在節(jié)點板范圍內(nèi)取為具有較大剛度的桿端，建立有限元模型進(jìn)行分析。考慮節(jié)點板影響的有限元計算模型計算得到的塔腳次應(yīng)力比為37.4%，更接近實測值。

2 結(jié)論

（1）對于特高壓輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)，塔身變坡處以及塔腳處主材的次應(yīng)力效應(yīng)顯著，主材的最大次應(yīng)力值出現(xiàn)在60°最大風(fēng)工況的壓腿塔腳處主材的內(nèi)側(cè)。

（2）在有限元分析次應(yīng)力對特高壓輸電塔結(jié)構(gòu)的影響時，由于節(jié)點區(qū)域節(jié)點板剛度的影響較大，應(yīng)建立考慮節(jié)點板剛度的梁桿單元有限元模型進(jìn)行分析。

（3）鋼管塔塔腳部分次應(yīng)力受主材和斜材夾角的影響最為顯著。次應(yīng)力影響程度隨主材和斜材夾角的增大而減小，隨主材長細(xì)比的增大而減小，在實際工程設(shè)計中，建議使塔腿主材和斜材的夾角值大于30度，主材的長細(xì)比大于34，作為特高壓輸電塔設(shè)計優(yōu)化的條件。同時，避免采用塔腿主材三分格布置形式，塔腿上部橫隔面處的斜材優(yōu)先采用K材的布置形式。

（4）有限元分析和試驗結(jié)果表明：塔腳節(jié)點的是破壞模式為主管受壓一側(cè)環(huán)形加強板上部管壁屈曲破壞。

（5）截面徑厚比的大小對截面的次應(yīng)力大小的影響不大。但是，限制徑厚比D/t，可以防止鋼管局部屈曲。試驗表明，高強鋼較普通Q345有更好的塑性發(fā)展能力，在參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對截面徑厚比進(jìn)行限制時，對主材采用Q460鋼材，可適當(dāng)放寬對截面徑厚比的限制值。

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