重覆冰区500kV酒杯型钢管塔设计及试验研究

徐明鸣，何洪波

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

重覆冰区500kV酒杯型钢管塔设计及试验研究

徐明鸣，何洪波

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

5JT431重覆冰区酒杯型单回路耐张塔，全高39 m，单基重量57.14 t。整体采用钢管构件，除地线支架及横担平面交叉斜材采用角钢构件，钢管材质为Q345及Q235。真型试验成功通过了大风、安装、断线及覆冰工况等9个试验工况，未有构件明显损坏，表明该塔设计正确，节点型式合理，整体安全可靠。

输电线路；重覆冰区；酒杯型钢管塔；真型试验。

1 概述

近年来，覆冰荷载对电力设备的影响受到越来越广泛的关注，覆冰灾害成为影响电网安全的重要因素。输电线路不可避免穿越山区、峡谷以及微地形区域等重覆冰地区，如何以较小投资保证重覆冰地区输电线路安全是目前摆在电网建设者面前的难题。重覆冰区铁塔的特点是：需抵御覆冰情况下各种不利冰风荷载组合，在严重覆冰情况下不但覆冰荷载大，传统的角钢结构，铁塔自身受到的风荷载也较大。500kV交流线路耐张塔在30 mm及以上重覆冰区主材需要采用组合角钢构件，铁塔构造特别是节点构造复杂化，不同荷载组合下传力路线复杂，难以准确计算，给设计、加工、安装带来难度。如果采用钢管结构，一方面可以简化铁塔结构型式，减小塔身覆冰荷载及塔身风荷载，降低基础荷载；另一方面钢管构件管径、厚度种类多，单构件承载能力大，能充分发挥钢材强度，降低钢材指标。

目前，钢管塔在输电线路工程中的应用越来越广泛，国内针对10 mm及以下轻冰区线路钢管塔设计关键技术、设计加工标准等研究取得了较全面成果，而重覆冰区钢管塔应用在国内尚未开展工作。本文对500kV耐张塔5JT431的关键设计及试验进行介绍和分析。

2 酒杯型钢管塔设计

2.1 设计基本参数

5JT431酒杯型钢管耐张塔呼称高27.0 m，铁塔根开13.2 m，塔头高度28.5 m，横担总宽度31.1 m，全高39.0 m，单基重量57.14 t。导线呈水平排列采用4× JLHA1/G1A－465/60，地线采用XGJ－180，设计水平档距300/150 m，垂直档距640/160 m，5JT431设计使用条件见表1。

表1 5JT431 设计使用条件

2.2 设计要点

2.2.1 塔型选择

酒杯型耐张塔能有效缓解采用“干”字型耐张塔难以满足导地线脱冰跳跃要求的缺陷，并且对于30 mm～50 mm重冰区，一般处于海拔高、高差大的山地，耐张绝缘子串容易出现上拔和下压的情况，采用“干”字型耐张塔容易导致耐张线夹出口处导线对塔身和横担电气距离不满足规程要求，对塔放电引起跳闸的事故。所以30 mm及以上重冰区的单回路耐张塔推荐采用酒杯型塔。

图1 相贯焊K节点型式

2.2.2 结构布置

本塔采用钢管及角钢组合结构，主材均采用钢管构件，地线支架斜材及横担上下平面交叉斜材采用角钢构件，其余斜材均采用钢管构件，钢管材质为Q345及Q235。塔身法兰除变坡处均采用Q345锻造法兰，插板主要采用C型及十字插板。

2.2.3 曲臂K节点设计

经过计算，K节点若采用插板连接型式，则在连接板与主管焊接端部应力集中现象较为严重，节点刚度较小，节点本身的位移较大。故重冰区酒杯型钢管塔K节点推荐采用相贯焊连接型式，适当采用加劲肋以减少应力集中对主管局部承载力的影响，同时在支管与主管夹角小于30°，节点支管承载力计算可继续使用现行规范计算，并考虑节点次弯矩因素，建议留10%～15%以上的安全裕度。K节点型式见图1、图2。

图2 插板K节点型式

3 真型试验

3.1 试验概况

5JT431试验塔在中国电力科学研究院北京良乡杆塔基地进行真型试验验证，加荷点通过连有测力传感器的钢丝绳与加荷用液压缸相连，加荷系统为液压闭环自动测控系统。位移测量采用全站仪，应变测量采用应变数据采集仪。

根据设计，选择了控制杆件较多和具有代表性的工况进行试验。加荷级别按照相关规定，一般工况加载顺序为0－50%－75%－90%－95%－100%－0，超载工况加载顺序为 0－50%－75%－90%－95%－100%－105%－110%－115%－120%。本次试验分别进行了安装(紧线、挂线)、断线、正常运行、不均匀冰等工况荷载试验，最后选取验算覆冰工况进行超载试验，测试其抗冰能力。试验塔顺利通过全部9项工况试验，未有构件明显损坏，试验工况及加载情况见表2。

表2 试验工况及加载情况

3.2 应变数据分析

试验应变测量数据量大，而30 mm重冰区耐张塔大多数构件均由验算覆冰工况控制，本文选取了典型构件在验算覆冰工况下的应力数据进行分析比较。图3为5TJ431单线图，图4为5TJ431应变片位置图。

图3 5TJ431单线图

图4 5TJ431应变片位置图

由表3数据可知：(1)加载100%设计荷载时，构件理论与实测应力基本吻合，塔身及塔腿结构布置简洁，传力清晰，相比于塔头，吻合程度更好；(2)曲臂主材及塔腿主材的实测值大于理论值，这主要是由于构件端部及K节点的次弯矩引起的，其中K节点实测值较理论值增加约9%，设计时必须考虑该因素；(3)各构件实测应力均未超过材料的设计强度，表明设计是合理而安全的。

由表4数据可知：(1)试验超载荷载到120%时，塔腿主材和塔腿辅助材已经超过了材料的屈服强度，而构件并没有明显变形及破坏，表明钢管构件具有较好的延性和承载能力；(2)从各加载跳级和应力增加的关系看，进入超载条件下，杆塔变形大部分处于弹性状态，部分构件渐入塑形状态，铁塔整体处于弹塑性变形。主要表现为，随着超载级别的提高，各构件实测应力增加的速率降低，已到达或接近材料屈服强度的构件尤为明显。

由表5数据可知：(1)各挂点位移的理论计算值普遍大于试验值，主要数值的偏差约为15%；(2)因为钢管塔构件节点主要采用法兰和插板，刚度较强，对构件端约束较大，而理论计算无法考虑到这点，因此位移理论计算值大于试验值是合理的。

表3 典型构件应变值

表4 典型构件超载工况应变值

表5 典型工况位移值

4 结论及建议

(1)重覆冰区应用钢管塔，其风荷载比角钢塔小、避免组合角钢的不均匀性、具有更好的动力特性、比角钢构件次弯矩应力大大减小，受力特性更好。

(2)重冰区酒杯型钢管塔K节点推荐采用相贯焊连接型式，可有效控制节点位移，适当采用加劲肋以减少应力集中对主管局部承载力的影响，考虑次弯矩因素，建议设计留有10%～15%的安全裕度。

(3)重冰区酒杯型钢管塔整体承载能力强，钢管构件具有较好的安全储备，在同等安全度情况下在重覆冰区应用钢管塔有利于增强抵御自然灾害的能力。

(4)重冰区酒杯型钢管塔结构布材简洁，传力清晰，斜材采用插板连接，减小端头偏心，使得真型试验实测值与理论设计值吻合性好。

[1]吴文辉.湖南电网覆冰输电线路跳闸事故分析及措施[J].高压电网技术，2006，32(2).

[2]包永忠，等.输电线路铁塔抗冰设计[J].电网与清洁能源，2009，25(11).

[3]杨靖波，等.2008年电网冰灾覆冰及倒塔特征分析[J].电网与水力发电进展，2008，24(5).

[4]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).

[5]DL/T5440—2009，重覆冰架空输电线路设计技术规程[S].

[6]郭健，孙炳楠，叶尹.高耸钢管塔的节点应力分析[J].钢结构，2002，17(62).

[7]完海鹰，谢玉芳.K型圆钢管搭接节点极限承载力的有限元分析[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2006，29(4).

[8]王迎春，郝际平.空间圆钢管相贯节点极限承载力元分析[J].空间结构，2007，13(4).

Design and Test for Cup-type Steel Tubular Tower for 500kV Transmission Line in Heavy Icing Area

XYU Ming-ming,HE Hong-bo
(Hunan Electric Power Design Institute,Changsha 410007,China)

The 5JT431 cup-type angle tower with height 39m and weight 57.14t,is the single-circuit tower for 500kV heavy ice regions. Except the braced panel of ground supports and cross arm,steel tubular are applied in whole tower.The highest strength of tubular steel is Q345. The Full-scale test had successfully passed nine tests under operation conditions including wind and installation and line broken and ice over,which show that the design is accurate,and the node connecting pattern is reasonable,and the whole tower structure is reliable.

transmission line; heavy icing area; cup-type steel tubular tower; full-scale test.

TM75

A

1671-9913(2017)05-0045-05

2016-08-03

徐明鸣(1981- )，男，浙江富阳人，研究生，高级工程师，从事输电线路结构设计工作。