高强钢（角钢、钢管） 输电铁塔力学性能试验研究

1. 高强钢（角钢、钢管）输电铁塔力学性能试验研究高强钢（角钢、钢管）输电铁塔力学性能试验研究 杨靖波 中国电力科学研究院 2014年9月30日星期二 广东珠海

2. 国内外主要标准中的钢材强度等级 P1

3. 2002年，我国500kV吴淞口黄浦江大跨越钢管塔首次采用Q390钢材；2005年投运的官亭-兰州东750kV示范工程首次使用了Q420高强度角钢。采用美国标准在国内生产的屈服强度为450 Mpa的GR65 已用于220kV钢管杆和500kV变电构架中。 日本在上世纪80-90年代相继建成的长度427km的1000kV特高压同塔双回线路，其钢管塔主材采用了屈服强度392MPa的SS55或STK55钢材。欧、美国家也采用过屈服强度450MPa级别的钢材。 P2

4. 高强度钢材应用于输电铁塔，需要解决的主要技术问题有：强度和材质等级、规格系列、构件受力计算方法、连接节点强度匹配、焊接工艺和低温冷脆等。高强度钢材应用于输电铁塔，需要解决的主要技术问题有：强度和材质等级、规格系列、构件受力计算方法、连接节点强度匹配、焊接工艺和低温冷脆等。 P3

5. 《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2002）轴心受压构件稳定计算公式中涉及的参数较多，主要有角钢构件长细比修正系数K，轴心受压构件稳定系数 φ（对应构件长细比Kλ=KLo/r），压杆稳定强度折减系数 mN。计算式为： 式中： N—— 轴压力设计值，N； φ ——轴心受压构件稳定系数； Α——构件毛截面面积，mm2； mN——压杆稳定强度折减系数； f —— 钢材强度设计值，N/mm2 。 P4

6. 一、轴心受压构件稳定系数φ • 轴心受压构件稳定系数φ与材料强度等级、长细比、加工工艺等有关。 • 角钢构件的长细比修正系数K。欧洲、美国在大量理论分析和试验验证的基础上对不同长细比、不同端部连接方式的受压杆件提出了6条压力曲线。我国《02规定》中直接引入《美国导则》的修正系数，只是在后两种作了偏安全的调整。 P5

7. 为了验证《 02规定》承载力的计算方法是否适用于高强钢构件，采用试验研究并辅助有限元计算，提出设计计算方法及建议。 P6

8. （1）Q420角钢试验研究 采用部件试验与模型塔架试验相互验证的方法进行杆件承载力的试验研究，模拟了两端轴心、一端偏心、两端偏心、两端无约束、一端约束、两端约束六种边界条件。 P7

9. 图1 部件试验装置 图2 两端轴心受压试验试件破坏状态 图3 两端偏心受压试验试件破坏状态 图4 一端轴心、一端偏心受压试验试件破坏状态 P8

10. 图5 部件试验装置 图6 模型塔架试验装置 图7 模型塔架主材局部破坏状态 P9

11. 试验结果表明，Q420高强钢单角钢采用《02规定》关于角钢受压构件长细比修正系数K 的规定有一定裕度，是安全的。 （1）当构件长细比λ小于40时，构件由强度控制，采用Q420角钢选材，构件规格得到较大降低； （2）当构件长细比λ在40～80之间时，构件由稳定控制，可采用Q420角钢选材，但规格大都只能降一级； （3）当构件长细比λ大于80时，构件由稳定控制，不宜采用Q420角钢选材。 P10

12. （2）Q460角钢试验研究 采用现行钢结构柱子曲线的分析方法（逆算单元长度法），编制程序计算Q460等边角钢轴心受压构件的承载力柱子曲线。Q460等边角钢柱子曲线与现行《钢结构设计规范》中的b类曲线数值接近。 图8 计算的稳定系数曲线与现行规范的各稳定系数曲线 P11

13. 对于角钢受压构件长细比修正系数K，考虑两端轴心受压（见图9）和两端偏心受压（见图10 ）两种条件。 图10 两端偏心受压试件试验破坏状态 图9 两端轴心受压试件试验破坏状态 P12

14. Q460轴心受压杆实测荷载均值与理论计算承载力比较Q460轴心受压杆实测荷载均值与理论计算承载力比较 可以看出：采用《02规定》方法计算轴心受压杆件，长细比在60以下，计算结果与实际接近；长细比60以上，与试验结果相比，计算结果裕度较大，偏于安全。 《02规定》中的计算方法对高强钢轴心受压构件是适用的。 P13

15. Q460偏心受压杆实测荷载均值与理论计算承载力比较Q460偏心受压杆实测荷载均值与理论计算承载力比较 从表中可知，现行《02规定》对高强钢构件偏心受压的计算方法是适用的。 P14

16. （3）高强钢管试验研究 高强钢管轴心受压试验中分别取长细比20～120的420Φ273×6、Q460Φ356×10直缝钢管。均为中部屈曲，整体失稳破坏。 Q420直缝钢管的失稳破坏模式 Q460直缝钢管的失稳破坏模式 P15

17. 图10 Q420钢管轴心受压柱子曲线试验、规范和有限元比较 Q420钢管轴心受压试验数据和有限元分析得到的高强钢管柱子曲线高于现有《钢结构设计规范》中b类截面柱子曲线，总体介于a类与b类截面柱子曲线之间。 P16

18. Q460钢管试验实测值、规范计算值（b类截面）与ANSYS计算值比较 根据试验数据和有限元分析数据， Q460高强直缝钢管的试验值高于按现有《钢结构设计规范》b类截面柱子曲线计算值。 现行规范柱子曲线适用于Q420和Q460高强直缝钢管荷载的计算。 P17

19. 二、压杆稳定强度折减系数 （1）角钢构件 压杆稳定强度折减系数的计算方法目前不统一，《02规定》中角钢轴压杆稳定强度的折减系数与构件的长细比x关系没有体现；《钢结构设计规范》则考虑了长细比的影响。 《02规定》根据翼缘板自由外伸宽度b与厚度t之比计算确定： 当 时， 当 时， P18

20. 《钢结构设计规范》第5.4.1条： 式中 λ——构件两方向长细比的较大值；当λ<30时，取λ=30；当 λ>100时，取λ=100。 按《02规定》计算 ，主材采用高强度热轧等边角钢后，部分角钢宽厚比超限。表中列出了稳定强度折减较大的Q420角钢规格与Q345角钢对比，热轧等边角钢因强度的提高使得一些规格使用受限。 为反映构件的实际受力特性，是否考虑构件长细比x对肢宽受限的角钢承载力有影响，需要研究 。 Q345、Q420不同截面尺寸等边角钢的折减系数对比 P19

21. （2）钢管构件 《02规定》根据外径Do与壁厚t之比计算确定： 当 时， 当 时， 《钢结构设计规范》规定，钢管的径厚比取值应符合下式 受压钢管构件的稳定强度要满足管壁局部屈曲稳定要求，就需在径厚比限值范围内使用，而径厚比限值国内外规范的规定均不相同，哪种规定适合国内使用需要研究。 P20

22. （1）Q420角钢构件局部屈曲试验研究 试验选取较大（即稳定计算值折减幅度较大）的5种截面角钢：L125×8、L140×10、L160×10、L180×12和L200×14为试验研究对象，采用长细比x=10～80（弱轴方向）。试件典型破坏模式如图12—图14所示。 双波形局部屈曲模态 单波局部屈曲模态 图12 长细比x=10的角钢柱子失稳破坏模式 P21

23. 图13 长细比x=50的角钢柱子失稳破坏模式 P22

24. 图14 长细比x=80的角钢柱子失稳破坏模式 对于短柱（长细比x=10），L125×8截面构件为双波形局部屈曲模态，其他所有截面的试件均为单波局部屈曲模态。随着试件长细比增大，失稳模态逐渐统一为弯扭失稳，扭转出现位置随机，可能在柱中或靠近端部。 P23

25. （2）Q460角钢构件局部屈曲试验研究 破坏模式与Q420角钢试件基本相同，对于长柱（长细比x=80和100）最终扭转出现的位置大多出现在中部。 图15 长细比λ＝30的失稳破坏模式 图16 长细比λ＝45的失稳破坏模式 P24

26. 图19 λ＝80 图20 λ＝100 图17 λ＝60 图18 λ＝70 P25

27. （3）高强角钢轴压强度折减系数修正公式 试验及有限元分析结果均表明，宽厚比超限的角钢轴压杆稳定强度的折减系数与构件的长细比x有直接的关系。 综合考虑局部屈曲折减系数和长细比对承载力的影响，参考现行标准《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中对轴心受压构件截面宽厚比的限值规定，对《02规定》中的折减方法进行修正： 当 时， 当 时， 其中当<30时取30，当>100时取100。 P26

28. 三、高强钢杆塔强度真型试验 （1）西北750kV官亭-兰州东Q420角钢塔 JG2转角塔于2004年进行了真型塔试验。当试验塔90度大风超载加荷到130%瞬间时塔身主材破坏。 P27

29. （2）1000kV特高压交流试验示范工程Q420角钢塔 ZM2直线塔顺利通过断线、安装及正常运行共13个工况的强度试验；60°大风超载工况，当试验加荷至设计荷载的120%～125%时，铁塔破坏首先部分是瓶口下第一个节间。 J1真型试验塔顺利通过断线、安装及正常运行共12个工况的强度试验；90°大风超载工况，当试验加荷至设计荷载的130%～135%时，中导挂点下节间K型材压屈。 P28

30. ZM2直线塔 P29

31. J1转角塔 P30

32. ZM2直线塔主材的最大规格为L200×20的Q420角钢；由于我国最大规格的L200×24角钢承载力已不能满足要求，J1转角塔主材采用了L180×16的双拼Q420角钢。ZM2直线塔主材的最大规格为L200×20的Q420角钢；由于我国最大规格的L200×24角钢承载力已不能满足要求，J1转角塔主材采用了L180×16的双拼Q420角钢。 • 欧美最大规格为L250×35。高强度单角钢最大承载力约为我国的两倍。 P31

33. （3）平顶山～洛南500kV 线路Q460角钢塔 平顶山～洛南500kV 线路中试用Q460 高强钢铁塔，为国内首次，两种塔型SZ1 和SZ2共应用了53 基Q460 高强钢铁塔。 2007年8 月17 日，SZ1-33塔顺利通过60 度大风工况100%荷载真型试验。在由115%向120%超载时，铁塔发生整体破坏，与理论计算较为吻合。 P32

34. 图26 Q460 角钢塔60 度大风115%超载试验 图27 Q460 角钢塔60 度大风超载试验破坏瞬间 P33

35. （4）锦屏～苏南±800kV特高压直流Q420角钢塔 JC1塔整塔采用角钢结构，第一次设计时铁塔变坡以下部位的主材采用双拼组合角钢；第二次设计时铁塔变坡以下部位的主材采用大规格Q420角钢，相应的塔身辅助材进行了重新的布置，设计荷载完全相同，两次均进行了真型塔试验。 P34

36. 第一次设计铁塔的真型试验 主材采用双拼组合角钢的JC1转角塔通过了13个工况的100%设计荷载测试，其中45°大风，转角20°（超载）工况荷载加至105%时，屈曲破坏 。 图23 JC1转角塔超载到105%时塔腿主材屈曲情况 图23 主材采用双拼角钢的JC1转角塔超载到105%时塔腿主材屈服位置 P35

37. 第二次设计铁塔的真型试验 JC1大截面角钢塔顺利通过13个工况100%荷载试验，其中工况一（45°大风，转角20°）荷载超载到130%时，铁塔各部杆件未见异常。 通过试验可知: 1）通过计算分析，双拼角钢结构改为单肢大规格角钢，可节省塔材5%左右（实际塔型会有差别）。铁塔呼高越高，应用大规格角钢越多，优越性越明显。 2）由于大量节省填板(一部分需要焊接)和螺栓数量，加工和安装更方便易行，而且质量更有保证。 3）单肢大规格角钢较组合角钢传力简洁，避免了组合构件受力不均的问题，安全更有保障。 P36

38. （5） 750kV酒泉～安西Q420同塔双回钢管塔 750kV酒泉～安西双回送电线路工程在31m/s以上的大风区应用钢管塔23基。钢管塔主材采用Q420C高强度钢材，法兰采用Q420高强带颈锻造法兰。 2009年11月28日至12月1日，SJ2钢管塔在特高压杆塔试验基地完成真型试验。12月1日进行了90°大风超载工况的试验，试验加荷至设计荷载的120%，未破坏，结束试验。 P37

39. 图28 750kV酒泉～安西双回送电线路工程钢管塔真型试验 P38

40. （6）1000kV特高压交流双回Q460钢管塔 2010年1月16日~20日，国内第一基1000kV同塔双回Q460钢管塔真型试验在特高压杆塔试验基地完成。钢管塔主材采用Q460高强钢管和Q460带颈对焊锻造法兰连接，在国内均为首次。 P39

41. 图31 1000kV皖电东送工程Q460钢管塔真型试验 P40

42. 真型试验发现的问题 （1）双拼角钢主材受力不均，提前破坏。 （2）高强钢管径厚比合理限值，是否允许构件最外受压边缘纤维计算应力可以达到其屈服强度（欧洲规范的第三类截面 ）。 P41

43. 英国、欧洲的第3类截面和日本、我国规范限值英国、欧洲的第3类截面和日本、我国规范限值 钢管径厚比限值建议 P42

44. 总 结 1、高强钢在输电线路中应用的主要技术问题基本得到解决，工程应用取得了规模和效益 自2006年至2009年底，国家电网公司系统应用Q420约40万吨，Q460约500吨。 2006年九条试点线路总长度共计964公里，采用高强钢的铁塔共计4.63万吨，其中Q420高强钢角钢9800吨，Q420钢板938吨，节省造价约560万元。 2007年特高压试验示范工程全线Q420角钢塔，3万余吨。 P43

45. 在角钢塔方面，相对Q345角钢，使用Q420角钢可有效减轻塔材重量6～8%，节省整体造价2%～6%；使用Q460角钢可有效减轻塔材重量8～12%，节省整体造价5%～8%。在角钢塔方面，相对Q345角钢，使用Q420角钢可有效减轻塔材重量6～8%，节省整体造价2%～6%；使用Q460角钢可有效减轻塔材重量8～12%，节省整体造价5%～8%。 • 大规格Q420角钢在锦屏-苏南特高压直流工程中应用的经济性分析表明：采用大规格Q420角钢替代组合角钢可以节约钢材5%左右。 • 在钢管塔方面，相对Q345角钢塔，采用钢管塔可节约塔材15％左右。与Q345钢管塔相比，采用Q420高强钢管塔可减轻塔重6%左右，采用Q460高强钢塔可减轻塔重8%左右。 P44

46. 2、需要继续关注问题，挖掘最大技术和经济潜力2、需要继续关注问题，挖掘最大技术和经济潜力 • 双拼角钢的承载力计算及构造 • 大规格角钢的深化研究和应用 • 高强钢管径厚比的合理取值（压弯构件） P45

47. 汇报结束谢谢！