500/220 kV四回路SSZT1悬垂塔真型试验及分析

葛保斌，边冯博，朱杨春，董建尧

(1.华东电力设计院，上海市，200001;2.中国国电集团公司谏壁发电厂，江苏省镇江市，212006;3.中国电力工程顾问集团公司，北京市，100120)

0 引言

为确保国电谏壁发电厂(送出)500 kV输电线路安全、可靠地运行，华东电力设计院委托中国电力科学研究院河北霸州特高压杆塔试验基地对本工程使用量最大的SSZT1-39四回路悬垂塔(V型串)进行了真型塔试验，以检验铁塔的强度、刚度、稳定性能及变形协调能力，检验铁塔的节点构造合理性与可靠性。本文将根据对试验数据的处理以及理论分析，探讨试验过程中出现的问题。

1 试验塔塔型及工况

本工程中SSZT1塔型全线用量最大，且该塔型的结构布置、内力计算和结构构造在本工程中具有典型性和代表性。试验塔呼高取计算标准呼高为39 m，全高为90.65 m，结构主材采用Q420B高强度角钢，单线图如图1所示，试验塔设计条件如表1所示。

SSZT1塔共完成55个工况计算，选取控制工况18个，如表2所示。

图1 SSZT1－39试验塔单线图Fig.1 Single line drawing of SSZT1－39 tower

表1 SSZT1－39试验塔设计条件Tab.1 Design condition of SSZT1 －39 tower

2 试验情况及结构分析

杆塔试验除工况7和工况18外［1］，其余工况均一次性顺利通过了100%的载荷试验。虽然试验圆满完成，但试验过程中遇到的问题值得重视，并需在今后的试验方案设计和铁塔施工图设计中加以改进。

2.1 工况7试验情况及分析

工况7为断500 kV上导线左右两相、同时断右地线［2］，其他未断(地线加荷点在节点20上)。当加载至95%时，第1、7观测点的纵向位移分别为815、678 mm;当荷载加至96%时，杆件310—350、160—310(施工图编号209、210)在靠近310节点上方附近首先平面外失稳(弯曲)，同时350—380杆件受压变形，导致整个横担下沉破坏(横担布置如图2所示，局部结构如图3所示，横担整体破坏情况如图4所示)。

表2 试验工况Tab.2 Loading conditions

图2 右上横担结构布置Fig.2 Structure of upper right cross arm

图3 右上层横担局部结构Fig.3 Local structure of upper right cross arm

经复核计算书，杆件310—350、160—310在工况7时的杆件计算应力为-26.62 kN/cm2，允许应力百分比为86%，杆件计算长细比为116，为稳定控制，试验荷载及杆件计算长度经查无误、计算准确，满足设计规范。

图4 右上层横担破坏位置Fig.4 Failure location of upper right cross arm

经分析，试验塔地线顶架较高(达到4.5 m)，断右侧地线和右侧导线，使右上横担承受弯、扭共同作用。设计时已考虑将横担上下平面“封闭”，理论计算时导、地线产生的纵向剪力由横担上、下传递，垂直力由前后侧立面承担。但实际受力时，导、地线断线张力将对横担产生不平衡扭矩，并将通过右上横担上下平面及前后立面共4个面分担，若正面和底面的斜材因扭矩引起内力的增加超过了构件自身的承载能力，将会导致杆件的屈曲失稳，这是试验中杆件310—350、160—310(施工图编号209)在靠近310节点上方附近首先平面外失稳屈曲的主要原因。根据文献［3］对单根角钢两端偏心连接杆件承载力的分析，对本次试验杆件310—350、160—310在工况7时分别按照文献［4-5］轴心受压杆件承载力计算公式，对L70×6角钢验算杆件容许承载力，结果如下:

(1)按文献［4］受压稳定计算方法，其设计承载力为88.79 kN，若按该构件实测的屈服强度400 N/mm2得到实际承载力为105.1 kN。

(2)按文献［5］轴心受压杆件计算方法，其设计承载力为67.41 kN，若按该构件实测的屈服强度400 N/mm2得到实际承载力为77.21 kN。

试验塔杆件310—350、160—310在工况7时的计算压力为74.46 kN，小于按文献［4］方法计算所得的设计承载力，也小于上述2种方法依据构件实测强度计算所得的实际承载力，但略大于按文献［5］方法计算的设计承载力。可见，对于单根角钢两端偏心连接的杆件按文献［4］计算时承载力偏大，这也是杆件310—350、160—310破坏的原因之一。

2.2 工况18试验情况及分析

工况18 为 60°大风(超载)［2］，当天风速正常。当荷载加至95%时，第1、7观测点的横向位移分别为677、661 mm，塔腿主材最大应变为-1 457με(杆件编号为2701)，塔身主材最大应变为-1 466με(杆件编号为1403)，位移和应变均正常。当荷载加至100%时，持荷15 s后D腿17段主材首先屈服(杆件编号1701、1703)，如图5所示，最终导致整塔倒塌、试验终止。

图5 SSZT1试验塔倒塔瞬间17段主材屈曲情况Fig.5 Bending of the 17th principal material while SSZT1 testing tower collapses

综合90%、95%荷载下塔身各部位的应变情况，尽管铁塔双拼主材(含塔腿主材、塔身主材)的内力存在两肢分配不均的现象，但是其应变所反映出来的应力均在设计强度的范围内，在理论上不大可能会引起主材在该应力水平下的屈服。

该主材长细比为39，长细比较小。通常小长细比的主材存在一定的弯扭作用，而实际的计算忽略弯扭的作用，但随着内力的加大，弯扭的效应会有增大的趋势。通过有限元分析结果［6-8］显示考虑弯扭效应引起的杆件的总应力为385.62 MPa，未考虑弯扭效应时杆件的应力为329.3 MPa，可以看出弯扭效应引起的应力为56.32 MPa。考虑弯扭效应后的总应力虽然已超过钢材的设计强度，但仅超出1.5%，理论上不应出现塔材的突然屈曲。

3 构件材性试验

由于铁塔桁架计算和有限元分析均显示结构在该应力水平下不易发生突然屈曲，故对杆塔的材料进行了相应的材性试验。材性试验显示Q420高强度钢材的屈服强度的裕度均不大，有的甚至刚好是420 MPa，且送检的Q420高强钢材料金相检验和化学成分检验结果与Q345材料存在较大差异，Q420高强度钢材强度储备低且塑性能力差可能也是主材构件提前屈服的主要原因之一。本塔上部分Q345和Q420钢构件机械性能如表3所示。

另外文献［9］规定，无论是Q345B和Q420B钢材，对于磷、硫等杂质的控制要求是一样的，即对于B级钢，磷、硫含量均应不超过0.035%。从送检试件的化学成分分析报告可以看出，尽管送检的各构件化学成分均满足该国家标准的最低要求，但Q420钢材的磷、硫含量明显要高于Q345钢。尤其是1701、1703杆件的磷含量分别达到0.032% 和0.034%，已经接近标准的上限0.035%。磷含量偏高将使钢材的塑性、韧性显著降低。如果磷在钢材结晶过程中，产生晶内偏析，将导致构件局部地区含磷量偏高，使钢材的冷脆转变温度明显升高，从而导致发生冷脆的几率大大增加。有时钢材的这种冷脆表现为突然、没有先兆，对结构十分危险。

表3 Q345和Q420钢机械性能Tab.3 Mechanical properties of Q345 and Q420

从金相组织检验报告可以看出，1301和1303试样的金相表现为“铁素体+细珠光体”，呈带状分布，这是角钢结构正常的金相组织形式，尽管带状会使钢材的力学性能呈现出方向性，但是对于角钢结构轴向受力来说基本不会造成影响。而1701、1703和209试样的金相表现为“铁素体+细珠光体”，并含有少量的魏氏组织，且从金相照片来看金属组织较1301和1303粗大。而魏氏组织的存在会降低钢材的力学性能，尤其是显著降低钢材的塑性和冲击韧性，当然这和钢材的碳当量有密切的联系，但化学成分报告显示1701、1703和209试样尽管碳的含量较正常，而硅含量普遍偏高，209试件的硅含量已经高达0.48%，接近于国家标准规定的上限0.50%，这也是引起上横担209构件局部屈曲失稳的原因之一。同时又发现1701第2个试件的冲击功为93 J，而其他Q420钢材的冲击功均大于110 J(110～163 J)。综合以上的分析并结合1701、1703金相组织与1301、1303的差别，可以认为钢材性能的较大差异也是引起第2段横担斜材和第17段塔身主材无先兆屈服的原因之一。

4 结构解决方案

针对试验中发生的横担斜材破坏情况及以上的分析结果，改进了试验模型和结构方案。基于对第7工况杆件损坏原因的分析判断，有针对性地对上横担结构的局部构件作适当调整，将杆件160—310、310—350(施工图编号 209、210)和杆件 140—270、270—320(施工图编号217、218)以及杆件120—230、230—280(施工图编号227、228)规格作如下修改(每基塔质量增加196 kg)，见表4所示。

表4 杠杆规格修改Tab.4 Specification modifications

确定修改方案后，同时对右上层横担部分已经损坏的杆件进行了更换并重新安装，随后再次对工况7进行了荷载试验，当荷载加至100%时第1、2观测点的纵向位移分别为1 329、990 mm，位移正常，该工况顺利通过试验。

针对超载工况100%持荷过程中主材的突然屈服破坏情况和上述分析及材性试验，对该试验塔的计算、设计、试验情况和试验数据进行了复核、分析和讨论，认为SSZT1试验塔结构布置合理、计算正确，属于常规设计，满足有关规程、规范和国家强制性条文的要求和规定;同时，SSZT1试验塔的试验方案合理、试验荷载正确、试验工况选择得当，加荷次序合理。同时对SSZT1试验塔进行了ANSYS有限元分析，分析结果表明该塔计算正确，且已经通过了95%加荷试验，根据文献［10］要求可视为试验通过。

考虑到本工程已经考虑了1.1的结构重要性系数，比其他常规500 kV线路提高了10%以上的可靠度，且设计计算文件准确无误;同时通过对该塔型的实际使用情况进行统计发现，该塔在实际使用中档距均有3%以上的裕度。根据分析，该塔完全能满足实际工程需要，建议不增加主材规格。

5 结语

(1)SSZT1试验塔经过16个工况的真型试验，且在超载工况(主材控制工况)中100%加荷完成，并持荷约15 s，说明杆塔结构设计合理、铁塔指标控制优秀，根据规范规定可以认定试验塔通过试验。

(2)两端偏心连接单根角钢杆件以及高强钢双拼角钢填板连接组合构件的真型塔试验结果与理论计算差异较大，建议在今后的设计中对于此类构件可适当留有一定的安全裕度，并进一步开展该类构件的试验和研究工作。

(3)试验过程中，上导线横担斜材和17段塔身主材发生屈服现象，除实际结构和计算模型上存在的差异外，材料性能也是一个不容忽视的主要原因。建议在铁塔招标和钢材采购时严把材料质量关，以保证铁塔的质量和线路运行安全。

［1］中国电力科学研究院.国电500 kV谏壁—丹凤送电线路工程SSZT1悬垂塔实验报告［R］.北京:中国电力科学研究院，2010.

［2］华东电力设计院.SSZT1-39试验塔真型试验汇报材料［R］.上海:华东电力设计院，2010.

［3］耿景都.单根角钢两端偏心连接的杆件承载能力评估［J］.电力建设，2007.28(2):27-29.

［4］DL/T 5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2002.

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