輸電線路耐候鋼角鋼塔結構設計

顧曉陽

摘要：傳統鍍鋅角鋼塔在加工制作過程中帶來較大的人體和環境危害，免涂裝耐候角鋼塔在輸電線路中的應用將極大改善這一問題。本文從耐候角鋼塔設計方面闡述了關鍵技術要點，為耐候鋼在輸電線路中的推廣應用提供了經驗。

關鍵詞：輸電線路;耐候鋼角;鋼塔;結構設計

引言

近年來，一種“具有改善的耐大氣腐蝕性的結構鋼（耐候鋼）”被國內外輸電線路設計人員所關注。耐候鋼主要暴露的腐蝕性環境一般包括農村大氣環境，城市大氣環境，工業大氣環境以及海洋大氣環境等幾種典型大氣類型，不同腐蝕大氣各自的特點導致了耐候鋼不同的腐蝕行為。溫度、濕度及空氣中SO2 濃度均對鋼材的腐蝕有重要影響。因此在設計輸電鐵塔時要特別關注其所處大氣環境條件。

對于免涂裝耐候角鋼塔的設計，國外發達國家已有較成熟的經驗和設計指南。與國外相比，國內在此方面的研究較少，僅有中國電力科學院于2009年在廈門220KV梧-內官線路中完成2基冷彎耐候角鋼塔試點應用，但實際應用時均采用噴鋅工藝進行防腐，并未直接裸露使用。為探索耐候鋼在輸電角鋼塔中免涂裝使用的技術難點，本文從耐候角鋼塔設計方面闡述了關鍵技術要點。

1 耐候鋼角鋼塔設計關鍵要點

1.1 耐候鋼材料的選擇

選擇耐候鋼材料應當考慮以下原則：

（1）與工程建設所在地大氣環境相匹配，即滿足桿塔設計使用年限內角鋼腐蝕層厚度設計限值要求;

（2）材料強度滿足國家標準及行業規范等;

（3）原材料供應充足，且經濟性較好。

某110KV輸電線路工程位于浙江省杭州市，杭州屬于暖溫帶半濕潤氣候區，耐候鋼可免涂裝直接暴露大氣環境下使用。本工程選用首鋼某公司生產的SQ355NH，其部分化學成分見表1，滿足耐候鋼材料選用原則。

1.2 軸心受壓構件承載力計算

軸心受壓桿件穩定系數? 是受壓構件承載力計算的關鍵參數，其受截面的不同形式和尺寸、不同的加工條件及相應的殘余應力、桿件的初彎曲等影響，現行行業規范未對冷彎耐候角鋼軸心受壓構件穩定系數取值做出規定。中國電力科學研究院經過大量的軸心受壓構件試驗，得到了冷彎角鋼軸心受壓構件穩定系數?計算公式：

考慮不同約束條件對構件長細比λ影響，長細比需要進行修正，修正系數K 見表2。

1.3 連接節點耐腐蝕技術措施

免涂裝耐候鋼與普通鍍鋅螺栓接觸存在電位差，兩者之間容易形成電化學腐蝕，盡管這種腐蝕短期內不會造成角鋼塔任何影響，但隨著角鋼塔運行時間的增加，普通鍍鋅螺栓腐蝕將不斷積累，存在角鋼塔節點喪失承載力的隱患。因此，免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節點必須采用同等耐候性能的緊固件（螺栓、螺母、墊片、金具以及地腳螺栓等）系列產品。

1.4 防雷接地措施

對于傳統線路桿塔，在避雷線或桿塔遭遇雷擊后，雷電流可沿桿塔塔身引至接地體，由于鍍鋅鋼桿塔塔身阻抗小，線路落雷后雷電流形成的塔頂電位主要受接地電阻影響。但耐候鋼桿塔塔身阻抗顯著高于鍍鋅鋼桿塔，在避雷線或桿塔遭遇雷擊且未形成有效雷電通道時，在相同接地電阻條件下，雷電流在耐候鋼桿塔上形成的塔頂電位明顯高于鍍鋅鋼桿塔，使得耐候鋼桿塔上絕緣子發生雷電反擊閃絡的概率明顯增大，雷電故障風險較大，因此，針對耐候角鋼塔開展了專項的防雷設計。

2真型試驗研究

為檢驗冷彎耐候角鋼塔的整體承載能力情況，根據國網通用設計1D2模塊，采用冷彎耐候角鋼設計了SJ4型耐張塔，進行了桿塔真型試驗。

依據輸電線路桿塔設計規范，本次試驗共進行了60°大風、90°大風等8個代表工況承載性能測試。試驗塔通過了全部工況的驗證性試驗，并在超載工況達到116%時，受壓側塔腿主材最先發生彎曲失穩破壞，最終造成倒塔。

3 結論與展望

免涂裝耐候角鋼塔的應用，標志著耐候鋼的抗大氣腐蝕性能發揮用于輸電桿塔，不僅解決了鋼材易腐蝕問題，還解決了傳統鍍鋅鋼帶來環境污染問題，同時節約角鋼塔后期維護費用。本文針對免涂裝冷彎耐候角鋼塔開展設計研究工作，主要形成以下結論：

（1）冷彎耐候角鋼預留銹蝕層厚度取0.5mm/面，平均腐蝕速率為0.013mm/a（設計使用年限取40年計算），可滿足常規大氣環境對耐候鋼銹蝕要求。

（2）對常用冷彎耐候角鋼截面特性參數進行計算，并形成截面規格庫，以便工程實踐使用。

（3）免涂裝耐候角鋼塔桿件連接節點應采用同等耐候性能的緊固件（螺栓、螺母、墊片、金具以及地腳螺栓等）系列產品。

（4）真型試驗結果表明，采用冷彎耐候角鋼設計輸電桿塔可以滿足承載力要求。

此外，由于冷彎角鋼生產效率較低，且受廠家生產設備限制，不利于耐候鋼在輸電線路中的推廣應用。熱軋耐候角鋼大規模生產，必將助推耐候鋼輸電角鋼塔在實際工程應用。免涂裝冷彎耐候角鋼塔在國內初次使用，設計相關方面研究甚少，還需進一步對免涂裝冷彎耐候角鋼塔進行專項研究。

參考文獻：

[1]輸電鐵塔耐候鋼在不同大氣環境下的腐蝕行為[J]. 葛兆軍，張強，黃耀，韓軍科.中國電力. 2016（12）.

[2]展望耐候鋼在輸電桿塔中的應用[J]. 謝震.特種結構.2014（04）.

[3]直升機吊裝大型輸電角鋼塔施工關鍵技術應用研究[J]. 程雋瀚，王霖，丁鵬杰.浙江電力. 2019（06）.

（作者單位：杭州市電力設計院有限公司）