江陰長(zhǎng)江大跨越鐵塔構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

蔡 鈞，楊元春，左元龍

(華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001)

1 概述

500 kV江陰長(zhǎng)江大跨越工程是由世界銀行貸款的國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，江蘇省北電南送的重要輸電通道，其耐張段全長(zhǎng)為3703 m，按“耐張－直線－直線－耐張”布置，檔距 為“700 m－2303 m－700 m”， 由 兩基總高346.5 m的雙回路跨越塔和四基高度為55 m的單回路干字型耐張塔組成，采用4×AASCR－500導(dǎo)線、AC－360地線和OPGW－350光纜。該工程的跨越塔高度當(dāng)時(shí)位居世界第一，跨越長(zhǎng)度位居國(guó)內(nèi)第一。江陰大跨越至今仍是世界上最高的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)(組合角鋼)輸電鐵塔。

由于江陰大跨越鐵塔的構(gòu)件內(nèi)力特別大，設(shè)計(jì)時(shí)比較了國(guó)內(nèi)大跨越設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)型式，吸取了國(guó)外大跨越設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也參考了高層鋼結(jié)構(gòu)建筑和大型橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)格，提出采用厚板焊接十字柱作為鐵塔主要受力構(gòu)件的大膽設(shè)想。并通過(guò)理論論證、模型試驗(yàn)和焊接試驗(yàn)，解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的各種技術(shù)難題，證明采用厚板焊接十字柱的設(shè)想是完全可行的，也為特大跨越塔的設(shè)計(jì)提供了新材料、新技術(shù)和新經(jīng)驗(yàn)的借鑒。跨越塔主要構(gòu)件根據(jù)內(nèi)力不同，分別采用十字柱組成的格構(gòu)式箱形構(gòu)件、單角鋼組合成的箱型構(gòu)件、四拼十字型實(shí)腹式構(gòu)件及雙拼“T”型斷面構(gòu)件等。鐵塔的構(gòu)件設(shè)計(jì)依據(jù)的是當(dāng)時(shí)有效的中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,構(gòu)件連接和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用的是歐盟標(biāo)準(zhǔn)。本文著重闡述其構(gòu)件及連接和主要節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)榻窈筇卮笮弯摽缭剿脑O(shè)計(jì)計(jì)算起到一定的參考借鑒作用。

2 主要桿件型式

江陰大跨越的跨越塔是采用格構(gòu)式組合斷面結(jié)構(gòu)的型鋼塔(見表1)，整體變形和構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算采用國(guó)標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 17－88)；全塔分成三個(gè)坡度段，變坡位置分別在120 m和286 m標(biāo)高處。 0～120 m標(biāo)高的塔身主材采用的是65 mm厚鋼板焊成十字柱組合成的箱型構(gòu)件，斷面尺寸為1200 mm ×1200 mm；120～286 m標(biāo)高的塔身主材采用的是60 mm～25 mm厚鋼板焊成十字柱組合成的箱型構(gòu)件,斷面尺寸為800 mm ×800 mm；286 m以上塔頭結(jié)構(gòu)考慮到塔頭的鞭稍效應(yīng)和導(dǎo)地線振動(dòng)比較嚴(yán)重，全部采用螺栓連接，塔身主材采用由四個(gè)角鋼組成的十字?jǐn)嗝妫瑱M擔(dān)和塔身斜材均采用2根角鋼拼成的“T”型斷面。0～120 m和120～286 m標(biāo)高的塔身斜材均采用單角鋼組合成的箱型構(gòu)件,斷面尺寸為400 mm～1200 mm。120 m標(biāo)高處既是塔身變坡位置，又是主材斷面尺寸突變的大節(jié)點(diǎn)，構(gòu)件厚度達(dá)到65 mm至100 mm，構(gòu)造非常復(fù)雜，單件重量高達(dá)17 t多。跨越塔主要斷面型式的典型示例見表1。

表1 主要構(gòu)件型式

3 連接處螺栓的計(jì)算

3.1 受剪螺栓長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的判斷及計(jì)算

因跨越塔內(nèi)力較大，構(gòu)件與構(gòu)件用板和螺栓連接時(shí),節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，螺栓將會(huì)出現(xiàn)不均勻受力情況，為防止長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)螺栓受力時(shí)發(fā)生“解扣”式破壞，按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，需考慮長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)螺栓強(qiáng)度的折減問題。該標(biāo)準(zhǔn)的3.8(1)條規(guī)定：如果連接板螺栓群同一受力方向相距最遠(yuǎn)兩個(gè)螺栓之間的距離Lj大于15d(d為螺栓直徑)時(shí)，需在計(jì)算螺栓剪力時(shí)乘一個(gè)折減系數(shù)βLf。

βLf的計(jì)算值應(yīng)小于1，當(dāng)計(jì)算值小于0.75時(shí)，應(yīng)取0.75。

3.2 螺栓的受剪承載力

按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，對(duì)于8.8級(jí)螺栓，受剪承載力為：

式中：A為螺栓的實(shí)際抗剪面積；γM2安全分項(xiàng)系數(shù)，按照文獻(xiàn)[2]的2.2條，取1.25；fub單個(gè)螺栓的極限抗剪強(qiáng)度。

如果屬于長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)，即Lj＞15d，則按照文獻(xiàn)[2]的第3.8(1)條規(guī)定，上述計(jì)算的受剪承載力必需乘以降低系數(shù)βLf。

3.3 螺栓的孔壁承壓

按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，螺栓的孔壁承壓承載力：

式中：fu為螺栓的孔壁承壓強(qiáng)度；d為螺栓直徑；t為連接件厚度；αb取公式(4)中三個(gè)數(shù)值中最小值，其中αd為折減系數(shù)，按端部螺栓考慮，即αd取e1/3d0，e1為螺栓端距，d0為螺栓孔徑。

4 實(shí)腹式構(gòu)件的計(jì)算

塔身主材之間通常采用內(nèi)包角鋼外貼板的連接型式,并按雙剪或四剪計(jì)算。本工程的塔身主材規(guī)格均較大,除按中國(guó)規(guī)范方法進(jìn)行接頭計(jì)算外，還按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－ 1：General rules and rules for buildings [EN 1993－1－1：2005E] 的規(guī)定對(duì)構(gòu)件的連接進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。

4.1 連接斷面的抗拉強(qiáng)度承載力

文獻(xiàn)[3]的6.2.3節(jié)，連接斷面所承受的拉力NEd≤Nt,Rd。

Nt,Rd為承載力，取下列兩種情況計(jì)算值的較小值：

(1)連接斷面毛面積的塑性承載力

式中：A為連接斷面毛面積；fy為屈服應(yīng)力；γM0為塑性承載力分項(xiàng)系數(shù)，文獻(xiàn)[3]的6.1 節(jié)γM0=1.0。

(2)連接斷面凈面積的極限承載力

式中：Anet為連接斷面凈面積；fu為極限抗拉強(qiáng)度；γM2為抗拉承載力分項(xiàng)系數(shù)，文獻(xiàn)[3]的6.1節(jié)γM2=1.25。

4.2 構(gòu)件的抗壓曲屈承載力

文獻(xiàn)[3]的6.3.1節(jié)，構(gòu)件所承受的壓力NEd≤Nb,Rd。

Nb,Rd為壓屈承載力：

式中：γM1為壓屈承載力分項(xiàng)系數(shù)，按照文獻(xiàn)[3]的6.1節(jié)第(1)條，γM1=1.0；χ為壓屈降低系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]的6.3.1.3節(jié)，判斷構(gòu)件類別；按照正則化長(zhǎng)細(xì)比，選取壓屈降低系數(shù)χ；正則化長(zhǎng)細(xì)比見公式(8)。

5 120 m大節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和計(jì)算

120 m節(jié)點(diǎn)(圖1)位于塔身的主要變坡位置，上下構(gòu)件的斷面尺寸分別為800 mm×800 mm和1200 mm×1200 mm，斷面尺寸相差較大，而且設(shè)計(jì)壓力高達(dá)69469 kN，所以，成為特別關(guān)注的節(jié)點(diǎn)。為了將上部主材的內(nèi)力可靠地傳遞給下部結(jié)構(gòu)，研究設(shè)計(jì)了圖1所示的構(gòu)造型式：在節(jié)點(diǎn)中央設(shè)計(jì)一個(gè)板厚100 mm隨塔身坡度一起彎折的正交十字形部件，四條角邊呈階梯狀，分別與上下錯(cuò)開的十字柱焊接，四面用鋼板封閉，形成整體剛度很大的幾何不變體。中心十字柱將上下相互錯(cuò)開的十字柱連成一體，滿足了主材、斜材、水平材和橫隔材之間內(nèi)力傳遞的要求。120 m標(biāo)高處單個(gè)節(jié)點(diǎn)的重有17 t多。

圖1 120 m處大節(jié)點(diǎn)

5.1 十字柱連板的抗彎計(jì)算

對(duì)于中心正交十字形連扳，因其既承受剪力又承受彎距，文獻(xiàn)[3]的6.2.8節(jié)，認(rèn)為剪力的存在將降低板的彎距承載力，但當(dāng)剪力較小時(shí)可忽略這種影響；當(dāng)板承受的剪力VEd超過(guò)板的塑性剪力承載力Vpl,Rd的一半時(shí)，板的抵抗彎距應(yīng)按式(9)計(jì)算：

并且應(yīng)滿足：

式中：My,c,Rd為截面的設(shè)計(jì)抵抗彎距，按文獻(xiàn)[3]的6.2.5(2)，；Wpl為截面抵抗距，；ρ為截面的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)，，；AW=AV為受剪面積，。

5.2 十字柱連板的抗拉計(jì)算

連接所承受的拉力：

式中：Nt,Rd為承載力；A為連接斷面毛面積；fy為屈服應(yīng)力；γM0為承載力分項(xiàng)系數(shù)；文獻(xiàn) [3]的 6.1節(jié) ；γM0=1.0。

6 雙層塔腳板的構(gòu)造要求

江陰大跨越塔的基礎(chǔ)下壓和上拔作用力分別達(dá)到71000 kN和53000 kN，如果按《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》DL/T5154－2002，單板方案設(shè)計(jì)，采用Q345鋼材時(shí)，塔腳板的厚度也要達(dá)到130 mm。如此厚的鋼板，當(dāng)厚度方向作用幾萬(wàn)千牛的拉力荷載時(shí)非常容易出現(xiàn)層狀撕裂，對(duì)鐵塔安全極為不利。經(jīng)過(guò)研究，決定改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采用了雙層底板的結(jié)構(gòu)型式。

雙層底板能將單層底板厚度方向的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化成剪應(yīng)力，消除了產(chǎn)生層狀撕裂的機(jī)理，保證了鐵塔結(jié)構(gòu)的可靠性。大節(jié)點(diǎn)和塔腳板都是焊接結(jié)構(gòu)，考慮到跨越塔結(jié)構(gòu)具有一定的疲勞特性，所有主要受力焊縫均按美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范Structural Welding Code Steel[AWS D1.1：2000 An American National Standard]規(guī)定的周期荷載的要求進(jìn)行超聲波檢查。

7 結(jié)論

(1)雙拼“T”型斷面、四拼十字型實(shí)腹式、單角鋼組合成的箱型構(gòu)件以及用厚板焊接十字柱組成的格構(gòu)式型鋼結(jié)構(gòu)，是輸電鐵塔一種安全實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。

(2)為了將非常大的上部主材的內(nèi)力可靠地傳遞給下部結(jié)構(gòu)，可采用一個(gè)隨塔身坡度一起彎折的正交十字形幾何不變體，分別與上下錯(cuò)開的十字柱焊接，以滿足主材、斜材、水平材和橫隔材之間內(nèi)力傳遞的要求。

(3)板的厚度方向作用的拉力較大時(shí)，非常容易出現(xiàn)層狀撕裂，可采用雙層板的結(jié)構(gòu)型式。