29-高强度结构钢在220kV四回路双杆结构上应用的

1、高强度结构钢在220kV四回路双杆结构上的应用谢震1张克宝肖立群2（1、维蒙特工业（中国）有限公司 上海 201611 2、华东电力设计院上海200063）【摘要】本文介绍了高强度钢材 ASTM A572 Gr65 （屈服强度450MPa在220kV四回路双杆上的应用，包括结构选型和对比、设计计算、连接构造。对真型试验进行分析和总结。计算和试验表明高强度钢材在多回路杆塔结构上有较多的优点，具有很大的发展潜力。【关键词】 高强度钢材 多回路结构 双杆 真型加载试验概述我国的输电钢杆结构，早期主要用于110kV或以下电压等级的线路中，荷载 较小，使用普通碳素结构钢即可满足受力要求。现在，由于电网不

2、断升级，随着 同杆多回路工程、大截面导线工程、大跨越工程的建设，杆塔荷载越来越大，对 杆塔的承载能力提出了更高的要求。普通碳素结构钢已经无法满足这些特殊工程 的需求，弓I入强度高、韧性好、安全可靠的高强度结构钢材已是势在必行。美标 ASTM A572 Gr65高强度结构钢已在国外的输电线路工程中广泛应用，工程实践 和工程试验表明高强度钢材在输电线路中的应用具有广阔的前景。1低合金高强度结构钢（ASTM A572 Gr65）介绍高强度结构钢的标准有很多，例如我国Q420 Q460高强度结构用钢，日本的SM520 SM57C高强度钢，还有美国的 ASTMA572 Gr65高强度钢等。但由于受 到冶

3、炼水平的限制和供货的局限，一定程度上阻碍了高强度钢在输电线路杆上的 应用。维蒙特工业（中国）有限公司自成立以来，一直在国内推广高强度钢在输电 线路杆上的应用，所使用的高强度钢是美国的ASTM A572 Gr65标准。它是一种铌钒低合金结构用钢，这种高强度钢材可以用于焊接结构。至今为止，从10kV的配电杆，至U 220kV的输电杆，ASTM A572 Gr65高强度钢材已经在不同电压等 级的输配电钢管杆中得到应用。这种钢材的特点是强度高，韧性好，硅含量低， 镀锌效果好。ASTM A572 Gr65高强度钢材的机械性能及化学成份见下表：ASTM A57注冈材机械性能表1强度等级（Grade ）屈服

4、强度抗拉强度最小延伸率（）冲击功（J）英制（ksi）公制（MPa英制（ksi）公制（MPa样件尺寸（200mr）样件尺寸（50mm尺寸w 12.7mm尺寸12.7mm4229042290604152024无要求20.34 (+ 4.44 C)503455034565450182120.34 (- 17.78 °C)20.34 (- 28.89 C)553805538070485172020.34 (- 17.78 C)20.34 (- 28.89 C)604156041575520161820.34 (- 17.78 C)20.34 (- 28.89 C)65450654508055

5、0151720.34 (- 17.78 C)20.34 (- 28.89 C)ASTM A572冈材化学成份表2强度等级样件尺寸碳（）锰（）磷（）硫（）硅（）Max.(Grade)(mmMax.Max.Max.Max.样件尺寸w 40样件尺寸4042290w 1500.211.350.040.050.40.15 0.450345w 1000.231.350.040.050.40.15 0.455380w 500.251.350.040.050.40.15 0.460415w 320.261.350.040.050.4/6545013 320.231.650.040.050.4/65450w 1

6、30.261.350.040.050.4/ASTMA572 Gr65的屈服强度高达450MP©和Q235钢比较其屈服强度几乎提高了一倍，同等条件下，钢材用量大致可降低30%40%。这大大降低了输电钢管杆的用钢量，减小了外形尺寸，为加工制造、现场安装提供了极大的方便。2高强度结构钢在220kV多回路项目中的应用高强度结构钢在多回路项目中也得到了广泛的推广和应用。由于我国现行的钢结构规范对Q420以上的钢材没有做出规定，一定程度上限制了高强钢在输电 线路中的应用。对于高强钢的应用，各个设计单位都在进行这方面的研究和尝试。 华东电力设计院正在进行多回路、 多电压项目的研究，对于220kV同

7、杆四回路结 构进行了高强钢方案的尝试，并通过了真型试验来验证其可靠性。2.1 220kV四回路双杆结构概况试验杆塔的使用条件如下：220kV同杆四回路，直线杆导地线型号：导线 4回2X LGJ 630/45地线：LGJ- 95/55;光缆：OPGW167导线布置：四回路均采用水平排列，边相导线采用“I”型瓷瓶，中相导线采用“V'型瓷瓶档距：水平350m垂直450m气象条件：最大风30m/s，覆冰5mm设计时考虑了可能出现的受力工况。如：0大风、45大风、90°大风、覆冰、低温、断地线、断导线（任意二相组合）、安装、日常运行工况。此杆型的荷载控制工况如下：主杆-0°大

8、风工况横梁90°大风工况横担安装工况2.2 普通钢材与高强度钢材的对比：此科研项目最初的方案是使用国内的低合金钢Q345做为主体的材料，后来经过多次的论证比较决定采用 ASTM A572 Gr65做为此次试验的主体材料。注：由于试验场地的限制，真型加载试验的杆型呼高为30.1米ue-el-图1杆塔尺寸图图2导、地线布置图选用两种不同材料的数据对比如下：高强钢与普通钢数据对比表3钢材种类杆总重量(KG顶径/底径(mm杆体壁厚(mm杆底弯矩(Kn.m )Q34557520700/145214/14/12/10/86800ASTM A572 Gr6546030640/145211/10/8

9、/8/66174从以上的对比数据可以看出高强钢在多回路杆塔项目中具有明显的优势。重 量是Q345钢材的80%左右，杆体的尺寸也进一步的缩小，使得杆身风荷载较小。 由于杆身风荷载的减小，杆体本身的受力情况也得到了改善，可以使基础的工程 造价相应降低。2.3 连梁与主杆焊接节点的构造焊接节点的处理一直是一个难点，困扰着设计人员和加工厂家。主要原因是 节点处的结构复杂，形状不规则。设计人员很难将其强度、变形计算正确。在双 杆结构中，大部分的节点连接形式为相贯焊接。由于相贯的尺寸很难控制，焊缝 多为空间曲线形式，致使加工厂家的焊缝质量不够稳定。 在这次的试验杆中我们 选择了箱式结构与主杆连接，对方形连

10、接法兰还编制了专用程序，进行校核计算。焊缝为直线形式，焊缝的质量更有保证。节点详细的连接形式见图3与图4:图3连梁与主杆节点图4连梁与主杆节点2.4 结构分析对试验结构采用了美国Valmont公司的Impax程序进行计算分析（见图5）, 而且还用了国内的NS*非线性结构矩阵分析程序进行了验证。 两者的计算结果 基本上是相吻合的。计算表明结构在横向有很好的刚度，同时横梁中存在较大的 剪力及弯矩。杆子的纵向刚度相对较弱，是杆体挠度最大的方向。3真型加载试验试验时间：2007年6月8日试验地点：北京市房山区良乡镇 国电电力建设研究所加载工况：10个典型工况，详细见下表。| 九Thrv. L 乞图5

11、Impax程序的应用加载工况列表表4序号加载工况描述1断右地线2断上横担中、右两相导线3锚右地线4正锚上横担左导线（地线、上横担右、中导线已锚）5正锚下横担中导线（地线、上、中上、中下横担、下横担右导线已锚）6起吊右地线7起吊上横担右导线（地线已吊）8起吊下横担右导线（地线、上、中上、中下横担导线已吊）9正常90大风10正常0大风注：正常0大风工况为主杆的控制工况，做到110 %设计值的超载试验。图6 正常90大风（100%加载）图7正常0大风（100%加载）图8杆体与基础连接形式试验结果：杆体成功地通过了所有工况的试验。杆体强度完全满足设计要求杆体顶部挠度理论值与试验值对比：杆顶挠度理论值与

12、试验值表5工况理论值(mm实测值(mm试验修正值(mm0大风工况31203659329390大风工况360470423注：修正是因为基础连接处产生的变形。由于杆体与混凝土基础之间有两次转接(见图 8),杆体的挠度试验值考虑 10%左右的折减，对实测值进行了修正。从表5可知，杆体的挠度理论值与试验 值是较为吻合的，并完全满足设计的要求。结论：由ASTM A572 Gr65高强钢制造的220kV四回路双杆完全满足设计要 求。部分性能参数超出设计要求。节点连接未发生滑移等错位现象，有很高的强 度和刚度。4结束语随着电网的不断升级，高电压等级中的多回路，大转角钢管杆不断增多。我 国现行标准中的材料已不能很好的满足工程的需求，应尽早将高强钢纳入到我国的电力行业标准当中。推动高强钢在输电线路中的应用，缩短与发达国家的差距。使我国的钢管杆结构更加新颖、环保、经济合理、安全可靠。在此特别鸣谢华东电力设计院教授级高工唐国安对本文提出的宝贵意见以 及认真的审阅。参考文献1 Design of Steel TransmissionPole