输电线路耐候钢角钢塔结构设计

顾晓阳

摘要：传统镀锌角钢塔在加工制作过程中带来较大的人体和环境危害，免涂装耐候角钢塔在输电线路中的应用将极大改善这一问题。本文从耐候角钢塔设计方面阐述了关键技术要点，为耐候钢在輸电线路中的推广应用提供了经验。

关键词：输电线路;耐候钢角;钢塔;结构设计

引言

近年来，一种“具有改善的耐大气腐蚀性的结构钢（耐候钢）”被国内外输电线路设计人员所关注。耐候钢主要暴露的腐蚀性环境一般包括农村大气环境，城市大气环境，工业大气环境以及海洋大气环境等几种典型大气类型，不同腐蚀大气各自的特点导致了耐候钢不同的腐蚀行为。温度、湿度及空气中SO2 浓度均对钢材的腐蚀有重要影响。因此在设计输电铁塔时要特别关注其所处大气环境条件。

对于免涂装耐候角钢塔的设计，国外发达国家已有较成熟的经验和设计指南。与国外相比，国内在此方面的研究较少，仅有中国电力科学院于2009年在厦门220KV梧-内官线路中完成2基冷弯耐候角钢塔试点应用，但实际应用时均采用喷锌工艺进行防腐，并未直接裸露使用。为探索耐候钢在输电角钢塔中免涂装使用的技术难点，本文从耐候角钢塔设计方面阐述了关键技术要点。

1 耐候钢角钢塔设计关键要点

1.1 耐候钢材料的选择

选择耐候钢材料应当考虑以下原则：

（1）与工程建设所在地大气环境相匹配，即满足杆塔设计使用年限内角钢腐蚀层厚度设计限值要求;

（2）材料强度满足国家标准及行业规范等;

（3）原材料供应充足，且经济性较好。

某110KV输电线路工程位于浙江省杭州市，杭州属于暖温带半湿润气候区，耐候钢可免涂装直接暴露大气环境下使用。本工程选用首钢某公司生产的SQ355NH，其部分化学成分见表1，满足耐候钢材料选用原则。

1.2 轴心受压构件承载力计算

轴心受压杆件稳定系数? 是受压构件承载力计算的关键参数，其受截面的不同形式和尺寸、不同的加工条件及相应的残余应力、杆件的初弯曲等影响，现行行业规范未对冷弯耐候角钢轴心受压构件稳定系数取值做出规定。中国电力科学研究院经过大量的轴心受压构件试验，得到了冷弯角钢轴心受压构件稳定系数?计算公式：

考虑不同约束条件对构件长细比λ影响，长细比需要进行修正，修正系数K 见表2。

1.3 连接节点耐腐蚀技术措施

免涂装耐候钢与普通镀锌螺栓接触存在电位差，两者之间容易形成电化学腐蚀，尽管这种腐蚀短期内不会造成角钢塔任何影响，但随着角钢塔运行时间的增加，普通镀锌螺栓腐蚀将不断积累，存在角钢塔节点丧失承载力的隐患。因此，免涂装耐候角钢塔杆件连接节点必须采用同等耐候性能的紧固件（螺栓、螺母、垫片、金具以及地脚螺栓等）系列产品。

1.4 防雷接地措施

对于传统线路杆塔，在避雷线或杆塔遭遇雷击后，雷电流可沿杆塔塔身引至接地体，由于镀锌钢杆塔塔身阻抗小，线路落雷后雷电流形成的塔顶电位主要受接地电阻影响。但耐候钢杆塔塔身阻抗显著高于镀锌钢杆塔，在避雷线或杆塔遭遇雷击且未形成有效雷电通道时，在相同接地电阻条件下，雷电流在耐候钢杆塔上形成的塔顶电位明显高于镀锌钢杆塔，使得耐候钢杆塔上绝缘子发生雷电反击闪络的概率明显增大，雷电故障风险较大，因此，针对耐候角钢塔开展了专项的防雷设计。

2真型试验研究

为检验冷弯耐候角钢塔的整体承载能力情况，根据国网通用设计1D2模块，采用冷弯耐候角钢设计了SJ4型耐张塔，进行了杆塔真型试验。

依据输电线路杆塔设计规范，本次试验共进行了60°大风、90°大风等8个代表工况承载性能测试。试验塔通过了全部工况的验证性试验，并在超载工况达到116%时，受压侧塔腿主材最先发生弯曲失稳破坏，最终造成倒塔。

3 结论与展望

免涂装耐候角钢塔的应用，标志着耐候钢的抗大气腐蚀性能发挥用于输电杆塔，不仅解决了钢材易腐蚀问题，还解决了传统镀锌钢带来环境污染问题，同时节约角钢塔后期维护费用。本文针对免涂装冷弯耐候角钢塔开展设计研究工作，主要形成以下结论：

（1）冷弯耐候角钢预留锈蚀层厚度取0.5mm/面，平均腐蚀速率为0.013mm/a（设计使用年限取40年计算），可满足常规大气环境对耐候钢锈蚀要求。

（2）对常用冷弯耐候角钢截面特性参数进行计算，并形成截面规格库，以便工程实践使用。

（3）免涂装耐候角钢塔杆件连接节点应采用同等耐候性能的紧固件（螺栓、螺母、垫片、金具以及地脚螺栓等）系列产品。

（4）真型试验结果表明，采用冷弯耐候角钢设计输电杆塔可以满足承载力要求。

此外，由于冷弯角钢生产效率较低，且受厂家生产设备限制，不利于耐候钢在输电线路中的推广应用。热轧耐候角钢大规模生产，必将助推耐候钢输电角钢塔在实际工程应用。免涂装冷弯耐候角钢塔在国内初次使用，设计相关方面研究甚少，还需进一步对免涂装冷弯耐候角钢塔进行专项研究。

参考文献：

[1]输电铁塔耐候钢在不同大气环境下的腐蚀行为[J]. 葛兆军，张强，黄耀，韩军科.中国电力. 2016（12）.

[2]展望耐候钢在输电杆塔中的应用[J]. 谢震.特种结构.2014（04）.

[3]直升机吊装大型输电角钢塔施工关键技术应用研究[J]. 程隽瀚，王霖，丁鹏杰.浙江电力. 2019（06）.

（作者单位：杭州市电力设计院有限公司）