1 000 kV特高压钢管塔塔身变坡节点的优化设计

黄璜，任宗栋，默增禄，李士锋，王智飞

(国核电力规划设计研究院，北京市，100032)

0 引言

随着特高压电网建设的持续进行，杆塔荷载与质量越来越大，实际需求和现实产能的矛盾表现得越来越突出，尤其是在1 000 kV淮南—上海特高压双回路输电线路工程中，由于杆塔受力较大，应用普通角钢即使采用四拼截面也难以满足承载力的要求，因此需要采用受力较优的钢管结构［1］。

2009年，国内电力设计院为1 000 kV淮南—上海(皖电东送)特高压双回路输电线路工程设计了一系列的钢管塔(称为“第一代钢管塔”)。由于“第一代钢管塔”设计处于摸索阶段，设计过程中节点板连接代替普通使用的相贯焊接等重大改进成功得到验证，同时通过真型试验也暴露出了节点设置不合理、设计指标偏高等问题。

钢管塔塔身变坡节点的优化设计是提高可靠性、降低塔重的关键所在。本文以1 000 kV淮南—上海特高压双回路输电线路工程中的SJ276转角塔为分析对象，结合“第一代钢管塔”施工图塔身变坡节点的处理经验，对塔身变坡节点进行了多方案的优化设计与分析，提出了SJ276转角塔塔身变坡节点处理的合理方案，并总结其在实际工程中的应用，供设计人员参考。

1 钢管塔塔身变坡节点布置方案

目前国内输电钢管塔塔身变坡节点处理大多为如下2种方案。

第1种方案为大板对焊式(如图1)。此方案塔身变坡处上下主管通过1块板焊在一起，板以及主管布置横向、纵向加劲肋，防止主管以及大板局部屈曲。该方案优点是节点安全可靠，缺点为节点复杂、焊接工作量大，且焊接人员施焊不便。

第2种方案是法兰螺栓连接式，如图2所示。塔身变坡处上下主管通过刚性法兰盘连接在一起。该方案优点是节点构造简单清晰，缺点为下法兰板异形，加工精度要求高，且钢管塔受力大、法兰盘螺栓多，定位困难。

2 SJ276塔设计与塔身变坡节点验算

2.1 SJ276塔设计计算

SJ276塔设计条件与设计原则严格按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》与国家电网公司相关会议精神的要求。SJ276塔呼高为48 m，导线型号为8×JL/G1－630/45，地线型号为LBGJ－240，风速为27 m/s，档距为500 m，垂直档距为650 m，转角度数为50°～60°，SJ276 塔单线图见图3。

SJ276塔设计考虑了大风、覆冰、断线、安装与不均匀冰共126个工况，通过软件计算分析，变坡节点处最大压力为8 954 kN，最大拉力为7 163 kN，变坡处上下主管的规格为Q345φ762 mm×15 mm。

2.2 塔身变坡上下主管的局部屈曲验算

由 GB 50017—2003《钢结构设计规范》［3］5.4.5条规定，可知主管局部屈曲验算如下:

式中fy为材料屈服强度，N/mm2。

2.3 塔身变坡处节点验算

2.3.1 采用大板对焊式方案的变坡节点验算

(1)主管与大板焊缝的验算。焊角尺寸的取值范围为

图3 SJ276塔单线图Fig.3 single line diagram for SJ276 tower

式中:hf为焊角尺寸，mm;t为板厚，mm。

由式(2)可得 hf最小值为18 mm，最大值为30 mm。hf取值过大，冷却时将加大焊接收缩变形，同时也可能要施焊2道才能实现要求的hf，因此宜采用较小值，hf通常取18 mm。材料焊缝极限强度为

式中:lw为焊缝长度，mm;βf为强度计值增大系数为角焊缝强度设计值，查表取200 N/mm2。由式(3)计算可得材料焊缝极限强度为7 305 kN，大于最大拉力7 163 kN，满足设计要求。

(2)塔身变坡处连接节点验算。根据Q/GDW 391—2009《输电线路钢管塔构造设计规定》［5］第9条进行节点验算。图4为计算用参数含义示意。

图4 变坡处设计计算各参数示意图Fig.4 Design parameters of slope change

图4中各参数的取值及各杆件受力(负号表示受压)见表1。

表1 计算参数取值Tab.1 Parameters for calculation

节点上作用的扭矩

拉(压)力

剪力

由表1数据可得 M为 －354.6 kN·m，P为448.8 kN·m，Q为－928.9 kN·m。

加劲板上的作用力分别为

由式(5)和(6)可得 Pv1为 －258.1 kN，Pv2为224.4 kN。

根据Q/GDW 391—2009《输电线路钢管塔构造设计规定》［5］表9.2.1节点类型5，可计算出加劲板极限承载力

由式(7)、(8)可得 Py1为 399 kN，Py2为 572 kN。

因此，有

可知，节点满足承载力要求。

2.3.2 采用法兰螺栓连接式方案的变坡节点验算

SJ276塔塔身变坡处法兰盘取8.8级16M48螺栓，加劲板为Q345－14，加劲板高度为300 mm，宽度取200 mm。

(2)法兰盘板厚度验算。法兰盘的最大弯矩

经计算，Mmax=53.33 kN。

法兰盘板的厚度t取48 mm，经验算，满足下式:

式中:f为材料强度设计值，取值305 N/mm2。因此，法兰盘板厚的取值满足设计要求，法兰盘板厚度取值合理。

(3)法兰盘加劲板焊缝的验算。

法兰盘板竖向对接焊缝剪应力

式中:α为反力比系数，其值为0.83和;h为加劲板的高度，mm。

计算可得剪应力值为88.5 N/mm2，小于规定的200 N/mm2，符合设计要求。

垂直于焊缝长度方向的拉力

式中:S1为加劲板下端切角高度，mm;e为偏心矩，mm。计算可得 σfv的值为163.2 N/mm2，小于规定的200 N/mm2，符合设计要求。

同时，又有焊缝折算应力

可见，焊缝折算应力满足设计要求。

水平对接焊缝的拉力

式中:B分别为加劲板的宽度，mm;S2为加劲板横向切角尺寸，mm。计算可得σfh的值为187 N/mm2，小于规定的200 N/mm2，符合设计要求。

通过以上分析计算，塔身变坡处节点采用大板焊接式与采用法兰螺栓连接式2种方案，只要设计参数取值合理，都能满足受力要求，安全可靠。

3 塔身变坡处采用2种连接方式的塔质量对比

SJ276塔塔身变坡处分别采用大板对焊式与法兰螺栓连接式后，只影响变坡节点处上下主管2张施工图(SJ276－14、SJ276－15)，塔质量整理见表2。

表2 SJ276塔变坡采用2种方案塔质量对比Tab.2 Comparisons of tower weight by applying two connections to slope change on SJ276 tower t

由表2可以看出，SJ276塔变坡处采用大板对焊式塔质量比采用法兰连接式塔质量增加约5 t，约占整个塔质量的2%。分析SJ276塔变坡处采用2种连接方式塔质量相差大的原因为:

(1)SJ276塔塔身变坡处采用大板对焊式方案，上下主管临近变坡部位时断开，采取锻造法兰连接，前后左右共用了8个FD7676B的锻造法兰，塔质量约增加2 t。

(2)塔身变坡处采用大板式对焊式时，主管在变坡处的横向加劲板与纵向加劲板较多，导致塔质量增加较大。

4 结论

(1)通过计算分析，钢管塔塔身变坡处采用大板对焊式与法兰螺栓连接式，只要参数取值合理，结构均安全可靠。

(2)钢管塔塔身变坡处采用大板对焊式比采用法兰螺栓连接式多用8个锻造法兰，且加劲板数量增多。

(3)SJ276塔塔身变坡处采用法兰螺栓连接式比采用大板对焊式塔质量减轻约5 t，占全塔质量的2%左右。

［1］中国电力科学研究院.1 000 kV交流同塔双回输电线路杆塔研究［R］.北京:中国电力科学研究院，2009.

［2］GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国计划出版社，2002.

［3］GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［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.

［5］Q/GDW 391—2009输电线路钢管塔构造设计规定［S］.北京:中国电力出版社，2010.

［6］Q/GDW 178—2008 1 000 kV交流架空输电线路设计暂行技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2008.

［7］国核电力规划设计研究院.1 000 kV特高压SJ276转角塔施工图［R］.北京:国核电力规划设计研究院，2011.

［8］李茂华，董建尧，杨靖波.特高压双回路钢管塔真型试验［J］.中国电机工程学报，2009，29(34):102-107.

［9］杨靖波，李茂华，杨风利.我国输电线路杆塔结构研究新进展［J］.电网技术，2008，32(22):77-83.

［10］European Committee for Standardization.Design of steel structures［S］.Brussels:EC3，2003.