新型220 kV双回双杆终端钢管杆设计与加工

王传生 刘 鸣 刘泽东 王 吉

(山东省电力公司枣庄供电公司，山东 枣庄 277101)

1 220 kV双回路钢管双杆终端杆的结构布置及设计条件

220 kV双回路钢管双杆带电缆的终端杆的设计方案是：一回线是带下线终端，另一回线是架空进变电架构。杆型的结构布置便于生产运行，尤其适合带电缆终端的情况。实践结果表明：该种终端杆双杆结构布置合理，加工和施工安装便捷。

输电杆结构体系及导地线布置如图1,图2所示。

呼称高：21 m；全高37.9 m；导线垂直线距6.2 m；地线顶架高4.5 m；导线水平线距4 m～5 m。

终端杆的设计条件如表1所示。

2 双杆终端杆主要结构构造

2.1 材料选用

双杆结构，刚度比较大，在主要受力面内是一个平面框架，因此强度起控制作用，使用高强的材料，有利于降低其用钢量，故输电杆本体材料选用美国的ASTM-A572 Gr65钢材，它相当于我国标准为Q450的钢材，该种钢材由于严格的控制钢材中微量元素的含量，因此，不仅具有很高的屈服强度，而且保证了热浸镀锌的质量。同时，该种钢材将含碳量控制在较低的水平，使钢材具备很好的塑性和韧性，尤其是低温下的冲击韧性、很好的冷加工(如冷弯)性能和良好的可焊性。

表1 终端杆的设计条件

2.2 结构形式选择

主杆采用拔梢的十二边形钢管，它符合平面外作为一个悬臂结构的特点，左右两杆采用相同的规格，分别由4段及3段组成，其底部外径及规格为φ1 372×12，梢径及规格为φ798×8和φ955×8。由于受力时双杆在杆段中会产生拉力，且双杆杆段之间尺寸误差要求严格，不适合采用插接式的连接，因此，杆段之间采用带肋法兰盘连接。横杆及横担采用八边形断面钢管，横杆管径规格为φ940×11，横担为φ(200 mm～600 mm)×8 mm。横担连接螺栓采用8.8级M24高强螺栓，地脚螺栓采用24-M56，其屈服强度fy=517 MPa；经多方案设计研究分析比较后，结合我公司生产加工的经验，横杆与主杆之间的连接，采用带插板的矩形法兰盘，如图2所示的横杆与主杆连接法兰盘。此节点的特点是竖向的插板为穿透主杆,上下各一块箍环状的盖板与竖板及主杆焊接。采用这种结构形式，能有效的防止主杆杆壁由于受到横杆作用力时产生的局部失稳及撕裂。

结构的总装配见图3。由于双杆有一回需下电缆，因此在杆体上有一些下电缆支架。整个结构的加工图的总用材量为38 665 kg。全部结构采用热浸镀锌防腐。

3 结构的计算分析

此结构是一个立体的框架结构体系，适合采用三维的框架分析程序来作分析计算。设计时采用美国Valmont总公司的IMPAX程序作计算，该程序中有计算门型构架、A型门架的模块taper(中文意思为锥度)，它专门用于钢制锥形钢管的结构分析计算，是三维有限元弹性分析软件，基本单元是带锥度的梁单元。程序是Valmont公司与美国Nebraska大学合作开发的,图4是应用此程序建立的钢管杆计算模型。

为校核用IMPAX程序的计算结果，采用我国电力系统中应用的“非线性结构矩阵分析程序”NSA作了进一步的校核计算。该程序是钢管杆计算分析专用程序，可以用于几何非线性结构的分析计算。用以上两种程序的计算结果基本一致，计算主要结果如下：

结构杆顶(左杆)位移：在90°方向风，V=5 m/s的风速条件下，左杆杆顶沿垂直及顺线条方向的位移分别为149.3 mm和5.1 mm；远小于规程规定的20‰高度的760 mm；即使在带分项系数的设计荷载条件下，在90°大风，V=30 m/s以及10 mm覆冰两种最不利荷载条件下，左杆杆顶沿垂直和顺线条方向的位移分别为528.6 mm和342.4 mm。这些数据表明结构的刚度很好。

基础作用力:在90°大风，V=30 m/s，设计荷载条件下(控制工况之一)，如图5，图6所示，作用力如下：

左杆：Mx=2 163.6 kN·m (垂直线路方向)；

My=2 721.3 kN·m (顺线路方向)；

Mz=69.47 kN·m。

右杆:Mx=1 975.1 kN·m (垂直线路方向)；

My=2 715.5 kN·m (顺线路方向)；

Mz=67.12 kN·m。

从上列数据可以看出：左右两杆的受力基本上相近；而且平面内与平面外的弯距也基本相近，两主杆之间的横杆内力比较大，因为它杆子根部的最大使用应力为254.8 MPa，其使用率为66%左右，设计留有足够的裕度，承接着两主杆平面内的巨大作用力，如图7所示。

以下横杆为例(在覆冰情况下)：

轴向力:N=-57.3 kN；

剪力:Q=809.0 kN;

弯矩:Mx=2 460.5 kN·m;My=0.1 kN·m。

扭矩:Mz=6.5 kN·m。

由于内力较大，故横杆需采用较大的截面φ940×11，其应力达312.9 MPa，使用率为80%左右，法兰采用8.8级螺栓，28M36。

在设计过程中，横杆布置的位置经多方案的优化分析计算，最终选择在14.0 m及17.5 m处设置两道横梁。因为经多方案的比较发现，在此两处设置横梁，可以有效地传递两杆平面内的作用力；而且两横梁的受力相近，能采用相同的截面，有利于双杆的设计和加工，具有一定的经济效益。计算共分析了7种荷载工况，起控制作用的是90°大风及覆冰两种工况，此时钢管杆分别在结构平面外和平面内受到最大荷载的作用。

4 结构的加工与安装

结构加工的主要难点是：

部件加工精确度要求高，结构的最终成品是由刚度均比较大的部件组装成的一个立体框架，部件间的连接采用接触面较大的法兰，因此如果部件的尺寸及平整度有较大误差，会使拼装工作产生极大的困难，例如横杆长度仅仅4 m多一点，而所带的法兰轮廓的面积近1.0 m2；如果杆件尺寸及平面平整度有大于±1‰误差，则会影响横杆与主杆法兰的紧密连接。为此，在加工中对每个零部件尺寸和平面平直度的误差要求均比单杆的加工标准高。

在横杆与主杆的连接处，穿透主杆的竖向连接板及上下二道箍环状的肋板，先与主杆焊接后，再焊接连接法兰于上面，施焊工作量均比较大，容易产生焊接变形。

考虑到以上两点，在加工中采用了主杆与横杆先拼装定位，经调整确认后点焊固定，再进行零部件的全面焊接工作，这样完成的部件才能保证结构现场装配的顺利。至于加工件因镀锌可能产生的变形问题，由于部件的刚度比较大，板件比较厚，实践表明，主杆部件没有因镀锌作业而发生较大的变形。

结构的现场施工组装：现场采用两台吊车进行施工组装作业，如图8所示，施工组装很顺利，仅用一个工作日就顺利完成了作业，获得了现场施工人员和业主的一致好评，输电杆现状见图9。经查核杆件最终变形及结合面完全符合有关施工验收规范的要求。

5 结语

220 kV双回路钢管双杆终端杆特别适合用在电缆终端塔用地面积紧张的场所，具有用钢量小，占地面积小，受力简洁且与环境和谐等优点，在实际工程中取得了很好的效果，具有很高的实用价值和推广价值。