特高压东线钢管塔标准化设计讲义

1、特高压东线钢管塔标准化设计讲义1. 东线工程概况；2. 钢管塔标准化设计的由来； 3. 标准化设计的经过；4. 标准化设计的主要内容；（钢管系列规格库、 插板节点标准图、锻造法兰配置表）5. 标准化设计对工程的指导意义；6. 试验情况及设计完善。内 容11000kV淮南-上海（皖电东送）输电线路我国第一条百万等级的双回路特高压线路。 东线工程概况线路总长642.35km。全线采用钢管塔。导线截面：8*630；输送容量：正常6500MW，极限12000MW。涉及3个风压气象区（27、30 、32m/s ），2个覆冰气象区（10mm、15mm）。全线线路走向示意图安徽省浙江省江苏省上海市2 东线特

2、高压工程钢管塔应用的意义建设1000kV等级的钢管塔输电线路，是国家电网公司落实科学发展观，全面建设“资源节约型，环境友好型”电网的具体举措；是国家电网公司开展标准化建设和全寿命周期管理工作的重要组成部分，对于转变电网发展方式具有重要意义。3 东线采用钢管塔的必要性 特高压东线导线大、荷载大、塔高高（平均高度100m），组合角钢结构已经无法满足结构受力的要求 。 钢管塔构件风压小、延性好、结构简洁、传力清晰，在大荷载杆塔中应用钢管塔技术经济优势明显，全线采用钢管塔具有明显的社会效应和经济效益。4 东线采用钢管塔的技术前提行业外钢管塔工程的建设经验；（电视塔、微波塔、通信塔、导航塔等）国内外钢管

3、塔设计经验的积累；（大跨越、超高压线路、特高压线路等）近几年科研、院校试验、研究的积累；（振动、焊接、试验、规范等）520世纪60年代末，同济大学设计上海电视塔，205m高，柔性拉条钢管塔，体型轻巧玲珑、外形简洁美观。 较早的钢管塔61973年华东院开始设计，220kV南京燕子矶大跨越工程。3基高195.5m柔性拉条钢管塔1基高166m拉线塔72003年6月投运500kV龙政线芜湖大跨越塔（塔高229m）2005年6月投运500kV滁马线马鞍山跨越塔（塔高257m）2005年3月投运500kV上海环网杨杨线吴淞口跨越塔（塔高178m）以及：500kV三广线长江大跨越500kV三广线长江大跨越、

4、沅水大跨越、110kV吴泾电厂黄浦江大跨越、110kV崇明岛-横沙岛联网大跨越、等等81000kV淮南-上海（皖电东送）荻港大跨越塔效果图（塔高278 m）9800kV向-上线、锦苏线新吉阳大跨越塔效果图（塔高240 m、230 m）1019951996年，华东院设计南京城区220kV莫-燕线，变截面单杆钢管杆，利用道路边、河道边、绿化带立塔走线，一方面大大缩小了线路走廊，另一方面又节约了宝贵的土地资源，已经运行了有10几年，运行情况良好。112003-2005年，华东院在上海500kV的环网工程杨-杨线中设计应用了双杆和四杆钢管杆结构，在宝山和外高桥地区沿外环线绿化带走向，为寸土寸金的上海节

5、约了宝贵的土地资源和走廊资源 。 12 20032005年，华东院在江苏无锡、上海浦东500kV杨-斗线、 500kV杨-杨线双回路钢管塔13 20072008年，华东院在上海浦东外高桥三期送出线路500kV顾路-南汇采用四回路钢管塔。14 在行业外，尤其在广电系统，从四边形到八边形，高度在200m300m高的广播电视塔钢管结构应用已经相当普遍，钢管塔是电视塔的主要结构型式。 同济大学和北京广电设计院设计了许多规模不等的电视塔，这些电视塔大多成为地方上标志性建筑之一。336m的黑龙江广播电视塔15 日本上世纪60年代开始兴建500kV线路，钢管结构自70年代开始大量出现，一直到90年代末，持续

6、了近30年时间高速发展，例如日本第一条1000kV特高压示范线路采用的就是钢管塔的结构型式。但日本到2000年后就很少再有工程开工建设。 日本钢管塔的情况 16 日本1000kV输电线路钢管塔 日本220kV、500kV输电线路钢管塔 17 韩国在500kV750kV线路上也广泛开发应用各种类型的钢管塔，并在风力发电单管上，其直径已经到了数米。 韩国钢管塔的情况 18 在国外，广播通信用电视塔、拉线桅杆也广泛采用钢管结构。 如日本东京建成的“东京电视塔”高333m，比埃菲尔铁塔高出13 m。 但钢材的消耗仅有埃菲尔铁塔的一半。19 日本在30年的发展中对钢管塔的连接方式、节点构造等形成了自己的

7、一套标准送电用钢管塔制作基准， 他们已经采用了锻造法兰和标准化的节点设计， 可以大批量地应用在不同规格的管材连接上， 有效地提高了加工的效率和制造厂的产能，为推广应用创造了条件。 20 断面刚度较大，截面受力特性较好，受力简洁、外形美观。 110-500kV钢管塔大跨越工程已近40项， 500kV钢管塔线路工程10项， 800kV和1000kV交直流大跨越工程4项。 钢管塔结构优点： 在不同电压等级的线路中得到了很好的发展。尤其是在大跨越结构、城市电网杆塔结构。据不完全统计截至2008年底，全国范围内已经完成设计的21 东线钢管塔标准化设计的由来 特高压东线全线钢管塔将达到30万吨，每公里钢管

8、塔用量将达500吨左右。当初调研发现国内加工厂的产能可能会制约钢管塔的应用。 为有效提高加工工效、方便施工安装，提高设计效率，必须在设计源头上进行钢管塔标准化设计。22 东线钢管塔标准化设计总体思路1）首先需要对钢管材料进行统一， 形成统一的“钢管规格库”。2）其次必须统一、规范节点型式和钢管 “管头的连接型式”。3）最后积极探索研究并经过相应试验验证和理论分析，有针对性地采用“带颈锻造法兰”。最大程度地减少加工厂的焊接工作量，从而极大地提高加工工效和产能。23东线钢管塔应用组织机构领导小组国网、顾问公司领导工作协调组设计小组专家组试验小组加工技术小组施工技术小组特高压部行业内、高校、院士顾问

9、公司、各设计院电科院、高校各铁塔厂各施工单位24设计小组领导小组工作协调组专家组试验小组加工技术小组施工技术小组顾问公司、各设计院25钢管规格库的确定 钢管构件的规格品种、数量多少将直接影响钢管塔的加工进度、生产效率和本体工程的经济指标。 满足工程经济技术指标的前提下，规范化、标准化工程用的钢管规格显得尤为必要。 避免出现每家设计院一套规格系列的情况，避免加工生产阶段由于采购原因出现频繁的变更、代料情况，从而避免影响加工的进度。26钢管规格库的确定 前期调研内容包括常用钢管规格库、制管能力、所用标准以及主要加工设备现状和产能情况。GB/T13793-92直缝电焊钢管；GB/T3091-2001

10、低压流体输送用焊接钢管；GB/T8162-1999结构用无缝钢管。直径大于450mm，电阻焊难度增大、焊接质量难控制规定直径不大于426mm时，可采用电阻焊管；直径大于D426时，应采用埋弧焊管。27序号管径(mm)壁厚(mm)45678101214161820221892114314041595168619472198273932510356113771240613426144571548016508175291855919610206302166022711237622481325864269142796572种D89D965t=422mm 28 钢管系列规格库前后经过了四版升级，三次调整

11、。 综合考虑经济性和标准化钢管系列化规格上下级差一般控制在10%左右。 钢管规格库兼顾了经济性、标准化和系列化，72 种规格已完全能够满足东线工程的需要。29欧标D/t = 70(235/345) = 48。钢管径厚比的约定 欧洲钢结构规范规定可考虑全塑性发展可考虑部分塑性发展不考虑塑性发展30东线实际Q345B（345Mpa）钢管径厚比平均值为46.6。31 通过比较，钢管库径厚比和日本相比在局部稳定要求的塑性能力上要略优于日本基准，和欧洲钢结构设计规范规定的二类断面相当，即允许钢管具有部分塑性的发展能力。 考虑钢管塔主材局部稳定承载能力的塑性储备，要求钢管主材的径厚比 D/t 50。即钢管

12、边缘纤维可考虑局部塑性发展。32插板节点标准图的设计33插板型式特点使用部位1.中心受力，螺栓双剪；2.板长较短，节点紧凑；3.板厚方向刚度较弱；4.加工和施工要求较高；1.横担上平面主材（吊杆）；2.横担上平面所在位置对应的塔身横隔材（受拉）；3.塔身斜材与主材的连接4.其他合适的部位；1.中心受力，螺栓双剪；2.节点强度较高，稳定较好；3.断面刚度较好；4.加工和施工较方便；1.受（压）力较大的塔身斜材、横材和主材的连接；2.横担下平面主材和塔身主材的连接；3.塔身交叉斜材交叉节点；1.插板有小偏心，螺栓单剪，插板较长，节点较大；2.板厚方向刚度较好；3.加工和施工方便；1.适用性较好，可

13、用于主材和斜材、辅助材的连接；1.插板有较大偏心，螺栓单剪，插板较长，节点较大；2.板厚方向刚度好；3.加工和施工方便；1.可用于管截面较大而内力较小的构件，例如长细比控制的大管径辅助材、横材等；1.中心受力，螺栓单剪；2.节点强度较小，稳定较差；3.板厚方向刚度差；4.加工和施工非常方便；1. 用于管径较小、受力也较小的辅助材中34表：插板的配置范围及数量（177个） 钢管强度利用率百分比插板类型钢管材料强度等级对应钢管规格范围数量小计备注100%UQ345BD114D27310CQ345BD89D27311Q235BD89D27311XQ345BD114D27310Q235BD114D42

14、62070%UQ345BD114D42620CQ345BD89D40617Q235BD89D42619XQ345BD114D42620Q235BD114D4262050%CQ235BD89D40619插板型式 “U”型、“C”型和“X”型3种型式。35插板标准管头加工图 C1505H7C 1 5 0 5 H 7 表示为:Q345B材质D1595钢管规格，钢管强度利用率为70%的槽型插板。36插板标准管头加工图 U1505H7U 1 5 0 5 H 7 表示为:Q345B材质D1595钢管规格，钢管强度利用率为70%的U型插板。37插板标准管头加工图 X1506H7X 1 5 0 6 H 7 表

15、示为：Q345B材质D1596钢管规格，钢管强度利用率为70%的“十”字型插板 。38 刚性有劲法兰刚度好，但手工焊接工作量巨大，加工效率低下。柔性无劲法兰无加劲板，焊接少，但刚度差，法兰的螺栓受弯。锻造法兰配置表的设计 39 根据收集到的资料，高颈锻造法兰是日本钢管塔中常用的法兰型式，日本锻造法兰均采用对焊连接，外形美观、焊接可靠。日本的高颈锻造法兰主要有以下两种型式。 为最大程度地提高钢管塔的生产效率，采用高颈锻造法兰，减少法兰加劲板的焊接工作量是行之有效的办法。 对接式 嵌入对接式 均采用了对接焊缝。40 目前国内可以现成采用的高颈锻造法兰型式有以下两种：对焊法兰和平焊法兰（如下图所示）

16、 带颈对焊法兰（推荐）带颈平焊法兰（不推荐） 对应国家标准GB/T9115-1-2000对焊钢制法兰和GB/T9116-1-2000带颈平焊钢制管法兰）。 41 在输电铁塔中，还没有带颈锻造法兰应用经验。由于和管道法兰的受力情况有较大的差别，中国电科院以公称压力 2.5 MPa法兰为原型，通过对两种法兰的有限元计算分析和试验研究，表明两种法兰用于工程均是可行的、安全的。锻造法兰的设计 电科院的法兰试验和分析计算主要是建立在我国铁塔结构设计技术规定无劲法兰模型上的，考虑了法兰盘外边缘顶力的影响。螺栓受力修正系数，取0.62。 顶力原理计算，厚度一般不宜小于30mm，法兰颈厚度、高度、坡度、圆弧弧

17、度等参数同时参考我国标准和日本基准进行确定。一般法兰颈部厚度较钢管壁厚厚2-3mm，法兰颈高度取法兰板厚度的3倍左右，法兰颈坡度取1525度左右。42 设计出来的两种锻造法兰先后经过了中国电科院和部分高校的部件试验，极限承载力达到了设计承载力的150%左右。破坏形式大多为钢管拉坏。带颈对焊法兰带颈平焊法兰4344锻造法兰的命名举例F P 5 5 5 0 表示：连接钢管直径为D559和D508，焊接于D508钢管端的平焊法兰 。F D 4 2 3 5 表示：连接钢管直径为D426和D356，焊接于D356钢管端的对焊法兰 。45科研塔 - SZT2直线塔设计、试验情况介绍 整塔钢管结构，局部构件

18、角钢；全塔材质为Q345B和Q235B两种；M16、M20为6.8级，M24及以上为8.8级；钢管规格、节点型式和连接方式按照东线钢管塔标准化的设计成果进行设计，并同时吸收了日本钢管构造和国内钢管塔设计经验；结构重要性系数取1.1；基准风起算高度取10m；地面粗糙度类别按B类考虑；体型系数钢管0.85，角钢1.3；风振系数按实计算，加权平均不小于1.6；考虑了不均匀覆冰工况下的纵向最大弯矩工况和新断线工况。钢管构件水平杆长细比控制在140以内，其他斜材、辅助材控制在160以内；铁塔计算按平腿设计；铁塔布置按照鼓型塔设计；地线保护角取值，按照地线横担比导线横担长700mm考虑；46（1）四根主材

19、均采用高颈法兰，其中1、3号腿采用高颈对焊法兰，2、4号腿采用高颈平焊法兰。且高颈锻造法兰首次在我国输电线路铁塔中使用。带颈对焊法兰带颈平焊法兰差别（2）彻底摒弃了相贯焊接。主斜连接、斜斜连接、主、斜辅连接均采用了插板型式使用。47荷载试验工况表 工况、序号工况名称控制构件工况试验序号计算序号验算冰12验算冰中、下横担上平面拉杆锚线31地线已锚、锚右上导线塔身斜材（部分）；36全锚讨论会后增加工况；断线14断右地线、断右上导线地线顶架、上横担上下主材、塔头位置的部分塔身主材；16断右上导线、右中导线塔身斜材（部分）；17断右中导线、右下导线下横担下平面19断左、右两相中导线中横担下平面大风19

20、0大风，最大垂直荷载塔身斜材（部分）；260大风，最大垂直荷载（超载试验）塔身主材、斜材；48试验发现4950511）对主材钢管径厚比的控制，即不大于50，适当考虑钢管的局部塑性发展 。3）局部的受力较大部位的加劲板适当地加强；4）铁塔顶部塔身主材适当放大管径，并必须加盖盖板，以有利于铁塔的变形控制。2）对计算模型的假定：当主材的长径比不小于12、斜材的长宽比不小于24时，即相当于主斜材的长细比不小于35和70时，可按照空间桁架铰接体系进行结构内力分析。不满足，则应考虑节点刚性引起的钢管端部弯矩的不利影响。52关于法兰的选型带颈对焊法兰 对焊法兰仅有一条环向焊缝，焊接工作量相对较低，但焊接质量

21、要求较高。对焊接工艺、设备要求和焊接人员的技术要求也较高。由于该焊缝质量要求规定为一级焊缝，焊缝质量可检测，焊接质量容易得到保证。且特高压输电线路工程钢管塔加工技术规定中对钢管端部不超过1-2 mm 的圆度精度要求，对控制法兰对焊的质量提供了基础保障。53 而且该空隙的存在使得由于焊接质量问题引起的酸洗进水、镀锌暴胀现象成为可能，影响法兰的可靠度。 且插接平焊法兰两条角焊缝离开较远，实际受力不均匀。随着受力的变大，钢管和法兰因为变形的不一致，使得钢管外壁和法兰内壁之间产生分离，焊缝和附近的管壁将会由于此而产生复杂应力状况和附加次弯矩。 插接平焊法兰依靠两条角焊缝连接，焊接工艺简单、对焊工的要求

22、较低，焊接成本较低。但对焊缝质量的要求却很难控制，焊接质量难以检测。 应力300Mpa 应力400Mpa图5 插接平焊法兰的受力变化过程带颈平焊法兰应力100Mpa应力200Mpa应力300Mpa应力400Mpa54 应力300Mpa 应力400Mpa图5 插接平焊法兰的受力变化过程插接平焊法兰颈部、焊缝及钢管端部的复杂受力状态下的变形情况。基于以上分析，本工程中推荐采用：对接焊形式的锻造法兰55关于其他试验节点负偏心问题1）在相同偏心距的情况下，支管作用力越大，主管的极限承载力越低；2）在支管力相同的情况下，偏心距增大50%，主管的极限承载力减小12.82%，负偏心距越大主管承载力越低。C1PC的负偏心距为D/4，C2PC的负偏心距为3D/8，后者的主管承载力降低了约40%，负偏心的对主管整体失稳承载力极为不利。3）从有限元分析结果来看，长细比较小时，节点连接负偏心对构件有利，主管的极限承载力有所提高，与相关文献结果一致。 但当长细比较大时，构件破坏为整体失稳，此时节点负偏心对整体受力不利，此时应按压弯构件验算构件的稳定性；当长细比较小时，构件为局部屈曲破坏，此时节点负偏心对结构受力