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冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應用


2019-07-22

?我國每年要新建110kV級以上的輸電線路約17000公里,每年建設輸電鐵塔要耗用鋼材約45萬噸。隨著我國電力業的快速發展,大容量、長距離、高電壓的輸電線路越來越多,桿塔的荷載越來越大。 

同時由于我國土地資源緊缺以及環保要求提高,使得線路走廊、拆遷問題日趨嚴重,為縮小線路走廊、減少拆遷量和占地和基礎土方開挖,多回路同塔并架和大坡度的鐵塔將越來越多地被采用。隨著桿塔規模同大型化發展,組成鐵塔型材的規格也越來越大,使得目前常用的低強度熱軋角鋼已難以滿足使用要求,尋求新形式、新品種的型鋼材料已成為必然。 

隨著我國鋼鐵工業的發展和科學技術水平的不斷提高,我國高強度級別鋼材和其他形式的型鋼產品越來越多地涌現。冷彎薄壁型鋼以其重量輕、強度高、材料利用率高以及施工方便等優點,已被建筑、交通、市政、工業和民用用品等行業廣泛使用。本文對輸電鐵塔中使用高強冷彎薄壁型鋼的可行性進行了一些探討,希望以此來推動冷彎薄壁型鋼產品在電力行業的使用。 

輸電線路鐵塔的發展現狀 

我國輸電線路鐵塔目前用材主要以熱軋角鋼型材為主,輔以少量鋼管,鋼材的品種以Q235和Q345兩種為主,鐵塔采用熱鍍鋅防腐,使用年限約為50年。隨著鋼鐵工業的不斷發展,鐵塔使用的鋼材在材質和類型上也有了一定的改進。具體表現為:

高強度鋼材的使用。我國輸電鐵塔結構所用鋼材,與園外先進國家相比,品種單一、強度值偏低、可選擇余地小。當桿塔荷載較大時,只能采用組合截面來彌補材料強度低的不足,增大了設計、加工的工作量和投資。美國《輸電鐵塔設計導則》中共推薦了10種材料標準供設計者選用,其高強鋼材的屈服強度達到448MPa。俄羅斯的《鋼結構設計規范》中所列鋼材的強度等級已達到578Mpa。近年來,隨著我國冶金工業的不斷發展,高強度鋼材的生產已經不再是難事,我國的高強度結構用鋼的質量提高較快且日漸穩定,供貨渠道日趨通暢,為輸電線路桿塔中采用高強度鋼材提供了可能。在75OkV輸電線路的前期科研項目中,國家電力公司電力建設研究所已經對高強鋼使用將要遇到的節點連接構造、構件設計參數取值、配套螺栓以及經濟效益情況進行了研究:認為目前從技術和使用上,高強鋼已完全具備了在鐵塔中使用的條件,并且高強鋼的使用可降低鐵塔重量10%-20%。但目前高強鋼大量使用的最較障礙是型鋼材料的供應。鐵塔需要的型鋼品種多,各規格成批的需求量不大,同時高強型鋼成形難、軋模成本高、軋輥調整困難,使鋼廠生產高強型鋼的積極性不高,供貨難以保證。 

鋼管塔的使用。上世紀80年代,國際上許多國家在開發特高壓輸電線路時,開始將鋼管型材應用到了鐵塔結構中,出現了以鋼管為塔體主材的鋼管塔。在日本,10OOkV的超高壓線路及高塔中幾乎全部使用了鋼管塔,他們對于鋼管桿的設計技術研究非常透徹。 

借鑒國外經驗,國內在5OOkV雙回路鐵塔和同塔四回鐵塔中也已使用鋼管型材,體現出了其良好性能和效益。其優點表現在:一是可以減小塔身風壓(構件體形系數,圓管比角鋼幾乎小一倍);二是在截面面積相等的情況下,圓管的回轉半徑比角鋼大20%左右;三是提高了結構承載能力,一般來講,鋼管塔比角鋼塔用量降低10%-20%;同時還可減少桿件數量,縮短建塔周期,易于結構多樣化。但鋼管的使用也存在鋼管型材規格品種有限、外面質量不好、價格高等缺點,同時鋼管間連接的節點構造復雜,加工生產效率低。 

冷彎薄壁型鋼的使用。冷彎薄壁型鋼的使用在國外已有幾十年的歷史。據了解,在輸電鐵塔中已應用冷彎薄壁型鋼的國家有意大利、美國、加拿大、英國、原蘇聯、墨西哥等。據國外資料統計,采用冷彎薄壁型鋼比傳統熱軋角鋼可節省鋼材10%-18%。美國《輸電鐵塔設計導則》中有針對等肢卷邊角鋼和除角鋼外其他型鋼的承載力計算的描述,這說明美國土木工程師協會早已注意到冷彎型鋼的構件在鐵塔上的應用。但在國內,冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔中的使用仍是空白。隨著桿塔結構的大型化發展,組成鐵塔的型材規格也越來越大,使得目前常用的低強度熱軋型鋼已難以滿足使用要求,且熱軋型鋼規格有限,貨源不充足。雖然通過采用組合截面和節點特殊處理可部分彌補型材的不足,但使得設計、加工的工作量和投資增大了許多,也使荷載傳遞方式復雜化,增加了不安全隱患。因此,在我國探求一種適合輸電鐵塔的新型鋼形式已顯得十分必要。 

高強冷彎型鋼的優勢 

近年來,隨著我國鋼結構應用技術的發展,冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快,與傳統軋制型材相比,冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點。它不是像熱軋型鋼以增加材料面積來提高其承載力,而是通過變化型鋼斷面形狀達到提高承載力和節約鋼材的目的。 

經濟的截面特性。鐵塔中腹桿的工作狀態大多是大長細比的壓桿失穩,采用角鋼等型材,截面特性無明顯優勢,且可選擇的規格有限。冷彎型鋼可根據構件受力特點選擇合適截面形式,充分發揮其截面界面特性,使其更經濟合理。 

隨意的產品規格。一座10噸重的常規鐵塔,要用到不同規格的角鋼多達25種,要保證同時采購到規格品種如此眾多、批量不大的型材難度可想而知。因此,鐵塔加工經常出現塔材規格以大替小的代料,在鐵塔加工企業中因塔材代料造成5%的浪費是很正常的,多的可達10%。而冷彎薄壁型鋼的生產設備簡單,一套冷軋機可生產多種規格的型鋼,生產的批量、規格不受限制,這就為鐵塔用材的供貨來源提供了有力的保障。 

可變的產品定尺。一座10噸重的鐵塔通常由近2000根構件組成,鐵塔各構件的長短不一。當前熱軋型鋼都是定尺產品,因此使用熱軋型鋼進行塔材下料時,經常出現材料余頭,這種由于材料定尺造成的材料損耗多達5%。而冷彎鋼產品可按用戶需要提供各種尺寸的型鋼,成材率高(達99%),下腳余料少,可有效減少鐵塔加工中的材料損耗。 

多樣的形狀。冷彎薄壁型鋼截面形狀的多樣性,可以避免采用90度角鋼只能將鐵塔設計成方形或矩形以及塔身變坡引起連接構件不共面的弊病,它為設計者設計新型、合理鐵塔開創了靈活條件。如可建立三立柱鐵塔,鐵塔腹桿體系也可進行優化,可設計出更合理的鐵塔腹桿布置,這為設計各種新型鐵塔體系,進一步減輕鐵塔重量、節約材料、減少構件數開創了新途徑。 

高強度的型材。對于鐵塔采用的高強度材料型鋼,若采用冷彎型鋼產品,可有效避免熱軋型鋼供貨批量限制和軋制工藝困難等缺陷。 

防腐問題。由于輸電線路長期在野外運行,為保證鐵塔安全,輸電鐵塔通常采用熱鍍鋅防腐。冷彎薄壁型鋼由于截面形狀多變、型鋼壁薄不太適宜熱鍍鋅。目前,一些先進的防腐技術和工藝在不斷地出現,如采用耐候材料和新鍍層工藝,為冷彎薄璧型鋼的防腐提供了良好的解決措施。 

高強耐候鋼的生產工藝已經日趨成熟,已廣泛用于鐵路系統。在輸電鐵塔上采用高強耐候冷彎型鋼材料,與制造鐵塔的傳統生產方式相比,雖材質的一次性投資略高,但由于去掉了防腐工序,其經濟效益和社會效益顯著,經粗步測算,每噸成本可下降20%左右。 

在上世紀80年代末期,有關科研單位就開始著手冷彎薄壁型鋼用于輸電鐵塔的可行性研究,但由于當時冷彎型鋼的價格較高和技術手段不夠完善,加上早期的鐵塔規模都較小,已有的熱軋型鋼完全就可滿足使用要求,項目未能立項。近年來。隨著我國鋼結構應用技術的發展,冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快,這些經濟型材用量在逐年增加,加工成本在降低,加上其自身截面的優良性能,經濟效益更為顯著。這為冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應用提供了可能性。 

使用冷彎薄壁型鋼可有效地節約資源和能源。在輸電鐵塔上推廣使用高強耐候冷彎型鋼,不僅可減少鐵塔耗鋼,還能降低加工成本,避免環境污染。是一項有顯著經濟效益和環保意義的工作,所以應及時開展高強冷彎型鋼,尤其是高強耐候冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應用研究。 

在輸電鐵塔中采用冷彎薄壁型鋼應加強研究 

隨著冷彎薄壁型鋼在工業、民用建筑結構上的用途增加。設計理論日趨完善。目前,我國實施的是國家標準《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》、上海市頒布的《輕鋼結構設計規范》和中國工程建設標準化協會頒布的《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》,都為冷彎薄壁型鋼的應用提供了設計依據。 

目前,我國冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔尚未應用,更沒有相關的設計技術規定。鐵塔結構的計算模型是空間桁架結構,構件的設計是按拉桿和壓桿穩定計算,構件的邊界條件情況對構件承載能力產生很大影響,同時線路施工現場決定鐵塔組裝不能使用大型機械,應采用易于現場施工的連接方式。輸電鐵塔受力和結構構造的特殊性決定了不可照搬輕鋼結構的設計方法,要想使冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔中廣泛使用,還需要在以下幾方面進行一些理論分析和試驗研究工作: 

1.確定輸電鐵塔上冷彎薄壁型鋼構件承載力的計算方法和參數取值,包括在特定邊界約束條件下受壓構件穩定曲線的選取和使用、偏心構件承載力的計算方法、構件連接處強度和穩定的計算方法、風荷載在構件產生的荷載和振動響應的計算取值。2.冷彎薄壁型鋼塔形體系機構件斷面優化分析。3.確定合理的連接構造形式和桿件支撐形式。4.較大厚度冷彎型鋼的成形工藝。5.冷彎型鋼的防腐問題。6.高強耐候冷彎型鋼的力學性能和耐腐蝕指標。

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