特高壓輸電線路鋼管塔主材次應力研究

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力值及分布進行了實際測量。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)果進行了比較；對5組縮尺比例的塔腿模型進行了靜力加載，進一步驗證了主材次應力影響因素。對SZ2U塔腳節(jié)點建立了精細化有限元模型，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)點進行了破壞試驗，研究在次應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塔次應力影響最大的位置在塔腳主材處，最大次應力比值達到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。主材的次應力不僅與主材長細比有關(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，在參考歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對截面徑厚比進行限制時，對主材采用Q460鋼材，可適當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；次應力；次彎矩；長細比；徑厚比；塔腳節(jié)點

隨著我國電網(wǎng)建設迅速發(fā)展，特別是1000kV特高壓輸電線路的建設，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，風荷載體型系數(shù)小，傳力清晰等優(yōu)點，因而被逐步推廣應用，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]。

輸電線路塔設計中，現(xiàn)有的設計軟件一般采用整體空間桁架法進行計算，桿件內(nèi)力按只有軸向力進行設計。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計偏于不安全。因此，全面的考察次應力對輸電鋼管塔的影響，提出考慮次應力影響的鋼管塔的設計方法，意義重大。

國內(nèi)外對于特高壓輸電鋼管塔結(jié)構(gòu)的次應力問題進行了一些研究：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比密切相關(guān)，當鋼管主材長細比小于34時，彎矩使主材產(chǎn)生的次應力比值達到28%～34%，并給出了次應力與長細比擬合的關(guān)系曲線。該文中提到的長細比34是根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(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，應計算由節(jié)點剛性引起的次應力這一規(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]進行分析指出：特高壓輸電鋼管塔的塔身主材最大次應力已達到30%，次應力的影響隨桿件長細比的增加而減小。但是SZT2真型塔試驗并沒有實測桿端的次應力值，其主材的桿端次應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力值的報導。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)設計的1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）進行了真型試驗。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力值，為特高壓輸電鋼管塔的次應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計的1000kV特高壓輸電鋼管塔進行有限元分析，研究了主材長細、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)對主材次應力的影響；在以上分析的基礎上，通過對SZ2U的塔腿縮尺模型的試驗，對以上影響因素進行驗證。其次，對SZ2U塔腳次應力發(fā)展進行有限元分析，與真型試驗進行對比，重點分析了次彎矩作用下的應力分布，塑性發(fā)展和破壞模式；進一步通過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)設計使用Q460高強度鋼材的1000kV特高壓輸電鋼管塔（SZ2U）進行了真型試驗，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。試驗共進行了8個工況的荷載測試，其中60°大風工況通過了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力進行了測量，主要結(jié)論如下：

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

2）60°大風工況在加載到95%時，塔腳處靠近塔中心45°方向應變測點超過強度設計值；加載到105%，該應變測點超過屈服強度；隨著荷載的進一步提高，同一截面高度越來越多的測點達到屈服，當加載到130%，大部分測點達到或超過屈服強度。

3）雖然主材的長細比均大于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力比仍大于規(guī)范條文說明中認為的可以不考慮次應力效應的次應力比例20%[8]。因此可以認為長細比并不是影響輸電塔主材次應力的唯一因素。

4）SZ2U試驗塔的塔腿主材長細比為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力比為31%，真型試驗實測得到的塔腳次應力比為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)造復雜的地方。進一步通過節(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力效應顯著，主材的最大次應力值出現(xiàn)在60°最大風工況的壓腿塔腳處主材的內(nèi)側(cè)。

（2）在有限元分析次應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，應建立考慮節(jié)點板剛度的梁桿單元有限元模型進行分析。

（3）鋼管塔塔腳部分次應力受主材和斜材夾角的影響最為顯著。次應力影響程度隨主材和斜材夾角的增大而減小，隨主材長細比的增大而減小，在實際工程設計中，建議使塔腿主材和斜材的夾角值大于30度，主材的長細比大于34，作為特高壓輸電塔設計優(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，在參考歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對截面徑厚比進行限制時，對主材采用Q460鋼材，可適當放寬對截面徑厚比的限制值。

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