论文部分内容阅读
摘要：在 1000kV特高压输电钢管塔（SZ2U）真型试验中，对钢管塔的主材次应力值及分布进行了实际测量。通过对4基特高压铁塔有限元数值分析方法，得出了主材次应力的分布规律及影响因素；并将计算结果与SZ2U塔实测结果进行了比较；对5组缩尺比例的塔腿模型进行了静力加载，进一步验证了主材次应力影响因素。对SZ2U塔脚节点建立了精细化有限元模型，考察了次弯矩作用下节点的受力性能和破坏模式；对按1000kV特高压真型塔SZ2U和SZ272P结构图加工的两组足尺塔脚节点进行了破坏试验，研究在次应力影响下不同钢材等级钢管塔塔脚结点的受力性能和破坏模式。结果表明：实测SZ2U塔次应力影响最大的位置在塔脚主材处，最大次应力比值达到45%，采用考虑节点板刚度的计算模型与实测结果吻合较好。主材的次应力不仅与主材长细比有关，还与塔腿主材和斜材的夹角，塔腿分格数，及塔身斜材的布置方式有关。塔脚节点在次弯矩作用下的破坏模式为主管受压一侧环形加强板上部管壁屈曲破坏。高强钢较普通Q345有更好的塑性发展能力，在参考欧洲钢结构规范对截面径厚比进行限制时，对主材采用Q460钢材，可适当放宽对截面径厚比的限制。
关键词：特高压；钢管塔；真型试验；次应力；次弯矩；长细比；径厚比；塔脚节点
随着我国电网建设迅速发展，特别是1000kV特高压输电线路的建设，使输电线路铁塔向大型化发展。钢管构件具有承载能力大，风荷载体型系数小，传力清晰等优点，因而被逐步推广应用，目前在建的1000kV皖电东送淮南至上海特高压工程全线采用钢管塔[1～2]。
输电線路塔设计中，现有的设计软件一般采用整体空间桁架法进行计算，杆件内力按只有轴向力进行设计。而实际的输电钢管塔节点多采用插板或法兰连接，并不是理想的铰接，尤其是钢管塔，由于其抗弯刚度大，受到荷载作用时，节点处将产生较大的弯矩。这样就会使钢管塔的设计偏于不安全。因此，全面的考察次应力对输电钢管塔的影响，提出考虑次应力影响的钢管塔的设计方法，意义重大。
国内外对于特高压输电钢管塔结构的次应力问题进行了一些研究：韩军科等[3]通过对六基特高压输电钢管塔的分析指出：特高压输电钢管塔杆端弯矩的大小与主材长细比密切相关，当钢管主材长细比小于34时，弯矩使主材产生的次应力比值达到28%～34%，并给出了次应力与长细比拟合的关系曲线。该文中提到的长细比34是根据《钢结构设计规范》[4]第10.1.4规定截面高度（或直径）与节间长度或杆件长度之比大于1/12（主管）和1/24（支管）时，应计算由节点刚性引起的次应力这一规定得到的。李茂华等[5]结合特高压双回路钢管塔（SZT2G）真型塔试验[6]进行分析指出：特高压输电钢管塔的塔身主材最大次应力已达到30%，次应力的影响随杆件长细比的增加而减小。但是SZT2真型塔试验并没有实测杆端的次应力值，其主材的杆端次应力值是按照理想的梁杆单元有限元模型计算得出。以往对主材次应力的研究仅基于有限元计算，在真型塔试验中，没有塔身主材实测次应力值的报导。同时，目前已开展的对输电塔主材节点的研究中没有研究过节点在次弯矩作用下的应力发展、极限承载力和破坏模式等问题。
2010年1月，在国家电网公司霸州特高压杆塔试验基地对我地区设计的1000kV特高压输电钢管塔（SZ2U）进行了真型试验。该试验在检验Q460高强钢钢管塔在各种主要荷载工况下受力杆件理论计算值和实际受力值的符合性，验证塔型设计方案的合理性以及塔型结构、节点构造和连接法兰的安全可靠性的同时，在主材杆端和杆中布点，实测了主材的杆端的次应力值，为特高压输电钢管塔的次应力研究提供试验依据[7]。
本文以SZ2U真型塔试验为工程背景，首先对SZ2U及皖电东送淮南到上海工程中几基我院设计的1000kV特高压输电钢管塔进行有限元分析，研究了主材长细、塔腿主材与斜材的夹角，主材径厚比、塔身斜材的布置方式等参数对主材次应力的影响；在以上分析的基础上，通过对SZ2U的塔腿缩尺模型的试验，对以上影响因素进行验证。其次，对SZ2U塔脚次应力发展进行有限元分析，与真型试验进行对比，重点分析了次弯矩作用下的应力分布，塑性发展和破坏模式；进一步通过SZ2U、SZ272P塔脚的足尺节点真型试验，考察了塔脚节点在次应力影响下不同钢材等级钢管的塑性发展能力和破坏模式。本文通过理论计算和试验分析的对比，提出了供工程设计参考的结论。
1 SZ2U真型塔试验简介及结论
2010年1月16日-19日，在国家电网公司霸州特高压杆塔试验基地对我地区设计使用Q460高强度钢材的1000kV特高压输电钢管塔（SZ2U）进行了真型试验，铁塔塔身构件全部采用钢管，其中塔身主材及部分斜材为Q460。试验共进行了8个工况的荷载测试，其中60°大风工况通过了130%的荷载试验[7]。试验在测试了Q460钢管塔特性的同时，对塔身主材杆中及杆端应力进行了测量，主要结论如下：
1）在设计工况下，塔脚和塔身变坡处的次应力值显著。其次应力比（即弯曲应力占轴力应力的百分比），在塔脚和塔身变坡处分别达到45.6%和26.2%。试验得出的塔身在60°大风工况100%设计荷载时最大应力位置为最大受压腿主材的塔脚处内侧45度方向，最大应力值为-451N/mm2。
2）60°大风工况在加载到95%时，塔脚处靠近塔中心45°方向应变测点超过强度设计值；加载到105%，该应变测点超过屈服强度；随着荷载的进一步提高，同一截面高度越来越多的测点达到屈服，当加载到130%，大部分测点达到或超过屈服强度。
3）虽然主材的长细比均大于34，符合《钢结构规范》中第10.1.4条的规定[4]，但实测得到的部分测点的次应力比仍大于规范条文说明中认为的可以不考虑次应力效应的次应力比例20%[8]。因此可以认为长细比并不是影响输电塔主材次应力的唯一因素。 4）SZ2U試验塔的塔腿主材长细比为41，塔腿主材和斜材的夹角为32°，有限元分析得到塔脚处次应力比为31%，真型试验实测得到的塔脚次应力比为45.6%，两者相差较大。分析原因是由于按理想的梁单元建立的有限元计算模型没有考虑到节点板刚度的影响，尤其是在塔脚处等节点构造复杂的地方。进一步通过节点板等效刚度的方法，将各个杆件端部在节点板范围内取为具有较大刚度的杆端，建立有限元模型进行分析。考虑节点板影响的有限元计算模型计算得到的塔脚次应力比为37.4%，更接近实测值。
2 结论
（1）对于特高压输电钢管塔结构，塔身变坡处以及塔脚处主材的次应力效应显著，主材的最大次应力值出现在60°最大风工况的压腿塔脚处主材的内侧。
（2）在有限元分析次应力对特高压输电塔结构的影响时，由于节点区域节点板刚度的影响较大，应建立考虑节点板刚度的梁杆单元有限元模型进行分析。
（3）钢管塔塔脚部分次应力受主材和斜材夹角的影响最为显著。次应力影响程度随主材和斜材夹角的增大而减小，随主材长细比的增大而减小，在实际工程设计中，建议使塔腿主材和斜材的夹角值大于30度，主材的长细比大于34，作为特高压输电塔设计优化的条件。同时，避免采用塔腿主材三分格布置形式，塔腿上部横隔面处的斜材优先采用K材的布置形式。
（4）有限元分析和试验结果表明：塔脚节点的是破坏模式为主管受压一侧环形加强板上部管壁屈曲破坏。
（5）截面径厚比的大小对截面的次应力大小的影响不大。但是，限制径厚比D/t，可以防止钢管局部屈曲。试验表明，高强钢较普通Q345有更好的塑性发展能力，在参考欧洲钢结构规范对截面径厚比进行限制时，对主材采用Q460钢材，可适当放宽对截面径厚比的限制值。
参考文献：
[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005：23-27
[2]韩钰，徐德录，杨建平等.Q420高强钢在特高压输电工程中的应用研究[J].电力建设，2009，30（4）：33-35
[3]韩军科，杨靖波.特高压钢管塔主材长细比和及径厚比的取值[J].电网技术，2009，33（19）17-20
[4]中华人民共和国建设部.GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003
[5]李茂华，杨靖波.1000kV双回路钢管塔次应力的影响因素[J].电网技术，2010，34（2）20-23
[6]李茂华，董建尧.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
[7]施菁华，秦庆芝等，Q460特高压双回路钢管塔真型试验分析[J].电力建设，2011，32（4）29-33
[8]但泽义，赵熙元.钢桁架杆件次应力的分布规律及设计建议[J].工业建筑，1984（1）：30～37
[9]华东电力设计院.DL/T5254-20XX 架空输电线路钢管塔设计技术规定[S].报批稿
[10]European Committee for Standardization.Design of steel structures[S]Brussels：EC3，2003
关键词：特高压；钢管塔；真型试验；次应力；次弯矩；长细比；径厚比；塔脚节点
随着我国电网建设迅速发展，特别是1000kV特高压输电线路的建设，使输电线路铁塔向大型化发展。钢管构件具有承载能力大，风荷载体型系数小，传力清晰等优点，因而被逐步推广应用，目前在建的1000kV皖电东送淮南至上海特高压工程全线采用钢管塔[1～2]。
输电線路塔设计中，现有的设计软件一般采用整体空间桁架法进行计算，杆件内力按只有轴向力进行设计。而实际的输电钢管塔节点多采用插板或法兰连接，并不是理想的铰接，尤其是钢管塔，由于其抗弯刚度大，受到荷载作用时，节点处将产生较大的弯矩。这样就会使钢管塔的设计偏于不安全。因此，全面的考察次应力对输电钢管塔的影响，提出考虑次应力影响的钢管塔的设计方法，意义重大。
国内外对于特高压输电钢管塔结构的次应力问题进行了一些研究：韩军科等[3]通过对六基特高压输电钢管塔的分析指出：特高压输电钢管塔杆端弯矩的大小与主材长细比密切相关，当钢管主材长细比小于34时，弯矩使主材产生的次应力比值达到28%～34%，并给出了次应力与长细比拟合的关系曲线。该文中提到的长细比34是根据《钢结构设计规范》[4]第10.1.4规定截面高度（或直径）与节间长度或杆件长度之比大于1/12（主管）和1/24（支管）时，应计算由节点刚性引起的次应力这一规定得到的。李茂华等[5]结合特高压双回路钢管塔（SZT2G）真型塔试验[6]进行分析指出：特高压输电钢管塔的塔身主材最大次应力已达到30%，次应力的影响随杆件长细比的增加而减小。但是SZT2真型塔试验并没有实测杆端的次应力值，其主材的杆端次应力值是按照理想的梁杆单元有限元模型计算得出。以往对主材次应力的研究仅基于有限元计算，在真型塔试验中，没有塔身主材实测次应力值的报导。同时，目前已开展的对输电塔主材节点的研究中没有研究过节点在次弯矩作用下的应力发展、极限承载力和破坏模式等问题。
2010年1月，在国家电网公司霸州特高压杆塔试验基地对我地区设计的1000kV特高压输电钢管塔（SZ2U）进行了真型试验。该试验在检验Q460高强钢钢管塔在各种主要荷载工况下受力杆件理论计算值和实际受力值的符合性，验证塔型设计方案的合理性以及塔型结构、节点构造和连接法兰的安全可靠性的同时，在主材杆端和杆中布点，实测了主材的杆端的次应力值，为特高压输电钢管塔的次应力研究提供试验依据[7]。
本文以SZ2U真型塔试验为工程背景，首先对SZ2U及皖电东送淮南到上海工程中几基我院设计的1000kV特高压输电钢管塔进行有限元分析，研究了主材长细、塔腿主材与斜材的夹角，主材径厚比、塔身斜材的布置方式等参数对主材次应力的影响；在以上分析的基础上，通过对SZ2U的塔腿缩尺模型的试验，对以上影响因素进行验证。其次，对SZ2U塔脚次应力发展进行有限元分析，与真型试验进行对比，重点分析了次弯矩作用下的应力分布，塑性发展和破坏模式；进一步通过SZ2U、SZ272P塔脚的足尺节点真型试验，考察了塔脚节点在次应力影响下不同钢材等级钢管的塑性发展能力和破坏模式。本文通过理论计算和试验分析的对比，提出了供工程设计参考的结论。
1 SZ2U真型塔试验简介及结论
2010年1月16日-19日，在国家电网公司霸州特高压杆塔试验基地对我地区设计使用Q460高强度钢材的1000kV特高压输电钢管塔（SZ2U）进行了真型试验，铁塔塔身构件全部采用钢管，其中塔身主材及部分斜材为Q460。试验共进行了8个工况的荷载测试，其中60°大风工况通过了130%的荷载试验[7]。试验在测试了Q460钢管塔特性的同时，对塔身主材杆中及杆端应力进行了测量，主要结论如下：
1）在设计工况下，塔脚和塔身变坡处的次应力值显著。其次应力比（即弯曲应力占轴力应力的百分比），在塔脚和塔身变坡处分别达到45.6%和26.2%。试验得出的塔身在60°大风工况100%设计荷载时最大应力位置为最大受压腿主材的塔脚处内侧45度方向，最大应力值为-451N/mm2。
2）60°大风工况在加载到95%时，塔脚处靠近塔中心45°方向应变测点超过强度设计值；加载到105%，该应变测点超过屈服强度；随着荷载的进一步提高，同一截面高度越来越多的测点达到屈服，当加载到130%，大部分测点达到或超过屈服强度。
3）虽然主材的长细比均大于34，符合《钢结构规范》中第10.1.4条的规定[4]，但实测得到的部分测点的次应力比仍大于规范条文说明中认为的可以不考虑次应力效应的次应力比例20%[8]。因此可以认为长细比并不是影响输电塔主材次应力的唯一因素。 4）SZ2U試验塔的塔腿主材长细比为41，塔腿主材和斜材的夹角为32°，有限元分析得到塔脚处次应力比为31%，真型试验实测得到的塔脚次应力比为45.6%，两者相差较大。分析原因是由于按理想的梁单元建立的有限元计算模型没有考虑到节点板刚度的影响，尤其是在塔脚处等节点构造复杂的地方。进一步通过节点板等效刚度的方法，将各个杆件端部在节点板范围内取为具有较大刚度的杆端，建立有限元模型进行分析。考虑节点板影响的有限元计算模型计算得到的塔脚次应力比为37.4%，更接近实测值。
2 结论
（1）对于特高压输电钢管塔结构，塔身变坡处以及塔脚处主材的次应力效应显著，主材的最大次应力值出现在60°最大风工况的压腿塔脚处主材的内侧。
（2）在有限元分析次应力对特高压输电塔结构的影响时，由于节点区域节点板刚度的影响较大，应建立考虑节点板刚度的梁杆单元有限元模型进行分析。
（3）钢管塔塔脚部分次应力受主材和斜材夹角的影响最为显著。次应力影响程度随主材和斜材夹角的增大而减小，随主材长细比的增大而减小，在实际工程设计中，建议使塔腿主材和斜材的夹角值大于30度，主材的长细比大于34，作为特高压输电塔设计优化的条件。同时，避免采用塔腿主材三分格布置形式，塔腿上部横隔面处的斜材优先采用K材的布置形式。
（4）有限元分析和试验结果表明：塔脚节点的是破坏模式为主管受压一侧环形加强板上部管壁屈曲破坏。
（5）截面径厚比的大小对截面的次应力大小的影响不大。但是，限制径厚比D/t，可以防止钢管局部屈曲。试验表明，高强钢较普通Q345有更好的塑性发展能力，在参考欧洲钢结构规范对截面径厚比进行限制时，对主材采用Q460钢材，可适当放宽对截面径厚比的限制值。
参考文献：
[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005：23-27
[2]韩钰，徐德录，杨建平等.Q420高强钢在特高压输电工程中的应用研究[J].电力建设，2009，30（4）：33-35
[3]韩军科，杨靖波.特高压钢管塔主材长细比和及径厚比的取值[J].电网技术，2009，33（19）17-20
[4]中华人民共和国建设部.GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003
[5]李茂华，杨靖波.1000kV双回路钢管塔次应力的影响因素[J].电网技术，2010，34（2）20-23
[6]李茂华，董建尧.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
[7]施菁华，秦庆芝等，Q460特高压双回路钢管塔真型试验分析[J].电力建设，2011，32（4）29-33
[8]但泽义，赵熙元.钢桁架杆件次应力的分布规律及设计建议[J].工业建筑，1984（1）：30～37
[9]华东电力设计院.DL/T5254-20XX 架空输电线路钢管塔设计技术规定[S].报批稿
[10]European Committee for Standardization.Design of steel structures[S]Brussels：EC3，2003