基于加工考慮的220kV及以下電壓輸電鋼管桿的優化設計

陳伯炯

（廣東省電力線路器材廠有限公司，廣州 510450）

基于加工考慮的220kV及以下電壓輸電鋼管桿的優化設計

陳伯炯

（廣東省電力線路器材廠有限公司，廣州 510450）

鋼管桿結構由于占地面積小、結構形式美觀感強等優點在220kV及以下電壓輸電設施中占有著很大的比例。現階段，我國鋼管桿結構的設計和制造還處于分開進行的模式中，往往造成設計的構件無法制造等情況。本文從結構的桿型選取、幾何尺寸兩個方面出發，在滿足結構安全性、美觀性的前提下，以加工過程為研究對象對鋼管桿結構進行了優化設計。

鋼管桿 加工制造 優化設計

引言

進入21世紀以來，隨著我國綜合實力不斷增強，作為基礎設施行業的電力行業也得到了飛速發展，許多大型輸電設施相繼投入使用。相對于傳統的輸電設施占地面積大、建設周期長等缺點，輸電鋼管桿由于其造型新穎、美觀，占地面積小、將輸電與美化環境于一體等特點，在220kV及以下電壓輸電設施中得到了廣泛應用。但輕鋼結構在我國起步較晚，設計方法還不是十分成熟，尤其在設計與加工方面存在許多矛盾。本文從加工方面考慮，給出220kV及以下電壓輸電鋼管桿的一些優化參數。

1 鋼管桿結構設計與加工存在的問題

鋼管桿的設計與制造同我國傳統鋼結構行業一樣，存在著設計與制造分開進行的情況。建設單位將設計任務委托給設計單位，由設計單位設計出的加工圖紙轉到制造單位，雖然可以使各單位的任務更加明確，但同時也伴隨著很多的問題，主要有：（1）設計人員不了解制造工藝，導致設計的桿件難以制造或即使能制造也不便安裝從而影響了結構的安全和使用；（2）設計的結構難度較大，構件的截面非常見截面，導致制造加工的任務量增加；（3）設計時對熱加工處理考慮不周，導致構件制作過程中熱處理工藝較多，直接影響構件的力學性能。

2 基于加工考慮的輸電鋼管桿優化設計

輸電鋼管桿在設計時，既應考慮桿件安全性、適用性，也應考慮切合實際制造加工等各方面因素，對此本文將結合采用NSA鋼管桿設計系統對桿件進行優化設計的結果，就以下幾個方面給出相應的參考參數。

2.1 轉角桿角度選取

在設計初期，轉角桿角度的選取起著至關重要的作用，決定著桿件承受荷載的大小，因此在設計初期應綜合考慮后期制造選取合適的角度。角度的選取受到地形、地表、地貌等多因素影響，通過對廣東地區的輸電鋼管桿的數據分析，本文建議對轉角桿的角度采用的參考值見表1。

表1 轉角桿角度優化參考值

2.2 幾何尺寸

從結構方面考慮，鋼管桿與其他輸電設施的不同之處在與其撓度在結構設計時起著決定性的作用。如果僅滿足強度要求，其撓度在正常使用狀態下，有時能超出限值的30‰，將降低安全性及美觀性。所以在設計鋼管桿時，應按滿足撓度限值來設計，如式（1）所示。

式中，M(x)為桿件所受彎矩；E為彈性模量；I(x)為截面極慣性矩；α1為多邊形邊數修改系數。

在滿足強度和撓度的前提下，主要影響制造的幾何尺寸主要包括壁厚、錐度、梢徑、截面形狀和桿段劃分，這些因素從不同層面上決定了鋼管桿的耗材量和制造的難度。

（1）壁厚及桿件分段。

鋼管桿的壁厚不同于其他結構的壁厚，其壁厚隨著桿件的長度逐漸變化，所以在制造過程中建議將其分為不同的若干段分開制造。對于Q345材質鋼材，當壁厚大于24mm，Q420材質，當壁厚大于22mm時，首先就應考慮制造是否可行，一般情況下當設計所需的壁厚大于上述材質對應的壁厚時，建議采用其他構造措施滿足撓度要求，例如增大環形截面的直徑等，而不建議繼續增大壁厚。在對桿件進行分段時，建議首先考慮制造方面模壓和熱鍍鋅工藝的要求，其次建議考慮運輸過程中的困難，如果需長途運輸，其長度不建議大于8m，以減少運輸的成本，不同壁厚的分段長度的建議值見表2。

表2 鋼管桿不同壁厚的分段長度

（2）錐度和梢徑。

錐度和梢徑成反比例關系，鋼管桿的錐度主要受作用在其上的荷載大小影響，荷載越大，所需的錐度也就越大以保證其安全性要求。錐度的大小還受梢徑的影響，為了滿足桿件的撓度要求，梢徑往往不能設置過小，也就要求錐度不能過大。而且在加工制造方面，錐度較大時，加工精度較低。

在對廣東地區的輸電鋼管桿的數據進行分析后發現，直線桿的錐度建議1/80～1/70為宜，轉角桿的錐度隨著角度的增加建議1/40～1/70為宜。當電壓為110kV時，梢徑建議250～650mm為宜，當電壓為220kV時，梢徑建議350～900mm為宜。

（3）截面形狀。

鋼管桿的截面形式主要有兩種：環形截面和多變形截面。環形截面的極慣性矩I環(x)要大于多變形截面的極慣性矩I多(x)，根據公式（1）可看出，當按照撓度設計時，環形截面要優于多邊形截面。但環形截面在制造過程中的難度要遠大于多邊形截面，一方面是由于環形較為難以實現，另一方面環形截面制造過程中會產生較多的環形焊縫，降低截面的力學性能，因此在實際工程中建議優先選用多邊形截面，但多邊形的邊數也建議控制在合理的范圍內，否則也會增加制造過程中的困難。表3給出部分220kV及以下電壓輸電鋼管桿多邊形截面邊數的參考值。

表3 220kV及以下電壓輸電鋼管桿多邊形截面邊數的參考值

3 結論

在設計220kV及以下電壓輸電鋼管桿時，應充分考慮其加工可實現性。本文從加工制造方面考慮，對鋼管桿進行優化設計，并給出了設計參數的建議值，結論如下：

（1）轉角桿角度方面，本文結合廣東地區的電壓輸電鋼管桿數據，給出15°為一階梯作為參考值，設計時采用這一參考值可以減少加工制造的困難程度。

（2）在鋼管桿尺寸方面，本文從三個方面論述，給出壁厚、桿件分段、錐度、梢徑、截面形狀的優化參考值。壁厚以10mm、16mm、22mm為界限值將桿件分段長度分為三個區間。同樣根據廣東地區的電壓輸電鋼管桿數據給出了直線桿和轉角桿兩種錐度適宜值。將鋼管桿以110kV和220kV為例給出梢徑的參考值。最后根據不同電壓和不同角度的轉角桿給出了多邊形截面的邊數。在實際設計過程采用這些參考值可以較大程度的避免構件加工時可能出現的問題。

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Optimal Design of 220kV and Below Voltage Transmission Steel Pipe Rods Based on Machining Consideration

CHEN Bojiong
(Guangdong power line equipment factory Co., Ltd., Guangzhou 510450)

The structure of steel pipe rod occupies a large proportion in 220kV and below voltage transmission facilities due to its small footprint and beautiful structure. At the present stage, the design and manufacture of steel tubular structure in our country are still in the separate mode, which often causes the design of the components can not be manufactured. This paper considers the structure of the rod selection and geometric size, in order to meet the structural safety, aesthetic premise, the processing process for the research object of the steel pipe structure optimization design.

steel pipe rod, processing manufacturing, optimization design