謝 震
(維蒙特工業(yè)(中國)有限公司,上海 松江 201611)
近些年隨著我國城市化進程的不斷推進,土地資源越來越緊張,架空輸電線路走廊的選擇也受到較大的制約,尤其在市區(qū)或近郊的輸電線路,往往被限制在很小的線路走廊區(qū)域內[1]。為了減少輸配電桿塔占用線路走廊的空間,近些年對鋼管桿輸電結構需求不斷增多。我國的輸配電鋼管桿結構,主要應用于220 kV及以下電壓等級的線路中,相對荷載負荷較小,使用普通碳素結構鋼即可滿足輸電線路的受力要求[3]。由于電網的不斷升級,500 kV 輸電桿塔在市區(qū)及周邊區(qū)域的應用越來越多,大截面導線的應用和大跨越工程的建設,使桿塔荷載越來越大,對桿塔的承載能力提出了更高的要求,普通碳素結構鋼已經無法滿足這些特殊工程的需求。在高電壓等級鋼管桿結構中引入強度高、韌性好、安全可靠的高強度鋼材,可以解決普通鋼強度低、結構構件重、尺寸大、占地多的問題。美標ASTM A572 Gr65 高強度結構鋼[4]已在國外的輸電線路中得到廣泛應用,近些年在高電壓等級的鋼管桿結構中,應用高強度結構鋼也較為普遍。
采用高強度結構鋼加工的500 kV 鋼管桿結構,在應用到實際項目前,需要做大量的理論計算、模擬分析和真型加載試驗工作[2]。模擬分析采用輸配電行業(yè)專用的PLS-Pole 和維蒙特公司的Impax 設計軟件,這兩個軟件均為非線性有限元分析設計軟件,可以相互驗證計算結果。鋼管桿單桿是典型的懸臂梁結構,在頂部荷載的作用下,桿頂的撓曲變形會比較大。在一些較高電壓等級的輸電線路中,如500 kV以上的電壓等級中,導線作用于桿塔上的荷載相對較大,采用鋼管桿單桿結構,桿頂會產生較大的撓曲變形,對輸電線路的安全運行產生影響。在高電壓等級中應用鋼管桿單桿結構,僅適用于一定的使用條件。一般情況下,直線桿日常運行工況受力比較小,適合采用單桿結構;轉角耐張桿在日常運行工況下,承受的導線張力較大,須考慮組合鋼管塔結構,以抵消桿體頂端的撓曲變形。在具體項目中,是適用于鋼管桿單桿結構或是適用于組合鋼管桿結構,須根據使用要求和條件具體分析。桿型AP-195和TSP10+6兩種桿型的使用條件如表1和表2所示。
表1 500 kV雙回路AP-195和TSP10+6桿型導線型號和參數
表2 500 kV雙回路AP-195和TSP10+6桿型使用環(huán)境
鋼管桿結構在設計過程中,須考慮在不同情況下的結構強度和撓度滿足設計要求,不同電壓等級和不同桿型對設計的要求也有所不同。所有設計工況下,構件不能產生永久變形,桿塔強度滿足設計要求。鋼管桿結構主要應用于市區(qū),日常工況和大風工況下的撓度是設計過程中的一個重要指標。桿體撓度的設計限值沒有統(tǒng)一的標準,不同桿型(直線桿或轉角桿)、不同國家的設計標準,對撓度的設計要求也有所不同。AP-195 桿型要求大風工況下,桿頂撓度不大于桿塔總高的8%;TSP10+6 桿型要求在正常運行工況下,桿頂撓度不大于桿塔總高的2%。鋼管桿結構設計中,考慮的設計工況:0°大風、45°大風、90°大風、最低溫、日常運行、斷導/地線、安裝等工況。不同桿塔結構設計時考慮哪些工況,須根據不同桿型和運行環(huán)境做相應調整。
在國內國外輸電線路桿塔設計標準[6-8]中,美國土木工程師學會的輸電鋼管桿設計標準ASCE/SEI 48-11[6]是在國際輸電項目中應用最廣,認可度最高的標準。在設計標準ASCE/SEI 48-11中,不僅對不同結構形式、不同截面形狀的鋼管桿構件,給出了具體的設計方法和計算公式,而且也對桿塔的加工制造、質量控制和試驗方法等方面提供了設計參考。根據鋼管桿的結構特點和受力特性,薄壁管體受壓側容易出現局部失穩(wěn)情況,為避免局部失穩(wěn)情況的發(fā)生,當設計過程中采用不同的徑厚比時,受壓構件或受彎構件的受壓側的許用強度,需進行相應折減情況的驗算。ASCE/SEI 48-11 標準中對于不同的截面形狀和徑厚比的材料,給出了詳細的許用強度取值計算公式和取值規(guī)則,可以作為鋼管桿結構設計時,許用強度或設計強度取值的指導。
結合專用的有限元分析軟件,進行鋼管桿的結構強度計算和撓度的校核,確定滿足設計要求的鋼管桿的結構尺寸。鋼管桿結構尺寸的確定,并不是一次設計完成的,而是在考慮客戶要求、結構強度、撓度、加工能力和成本等因素,通過多次優(yōu)化設計,最終確定的結構尺寸。表3 中列出了這兩基500 kV桿塔的結構尺寸和設計參數。
表3 500 kV雙回路AP-195和TSP10+6桿型尺寸及參數
鋼管桿結構在500 kV以上的輸電線路中使用的比較少,尤其是采用高強度鋼材設計的單桿結構,設計和運行的經驗都不多。真型加載試驗[9-10]是驗證桿塔設計理論、設計方法和安全可靠性的最直接、最有效地方法。真型加載試驗在新材料、新結構在桿塔設計中的運用或重要項目中得到廣泛運用。因此鋼管桿結構除了經過理論計算公式和有限元軟件計算外,還要進行真型加載試驗,驗證設計理論和分析軟件的準確性。通過理論計算值和試驗值的對比分析,確保設計理論和設計軟件的計算結果是準確可靠的,同時為以后類似項目設計提供一手的參考數據。
AP-195和TSP10+6兩基桿塔的真型加載試驗分別在北京良鄉(xiāng)和河北霸州的國家電網公司電力建設研究所鐵塔試驗場完成。AP-195為單管鋼桿,桿底彎矩比較大,需在鋼管桿和試驗場萬能基礎之間增設轉換鋼梁,減小錨栓的上拔力,可以滿足在北京良鄉(xiāng)試驗場進行試驗的要求。TSP10+6 為四管組合結構,根開較大,適合在河北霸州試驗場進行加載試驗,試驗桿型如圖1和圖2所示。
圖1 AP-195試驗桿型
圖2 TSP10+6試驗桿型
鋼管桿設計時考慮的工況較多,但有些工況不一定控制桿塔結構。真型加載試驗時,根據桿塔的結構特點和荷載工況對桿塔構件的控制情況,來確定試驗用的工況,AP-195和TSP10+6桿型真型加載試驗工況如表4和表5所示。
表4 AP-195桿型試驗工況
表5 TSP10+6桿型試驗工況
根據桿塔構件理論分析的受力和變形的情況,來布置測量應變和位移的位置。應變片布置在管體構件受力較大的受拉和受壓側和受力復雜的節(jié)點處;位移觀測點布置在便于觀測的變形較明顯的位置,沿管體從上到下來布置,橫擔受縱向或豎向荷載較大時,橫擔端部會產生較大的變形,須設置變形觀測點。
由圖3和圖4可知,兩種桿型桿身和橫擔上均布置了位移觀測點,試驗中可以測量不同工況、不同位置的變形情況。圖5和圖6分別為兩種桿型在控制工況下,桿身測點設計值和實測值的對比數據曲線。通過圖5和圖6中的數據,可以看出關于鋼管桿結構桿體變形的兩個特點。第一個特點是,桿身變形數據的實測值和設計值存在一定的差異,實測值比設計值偏大。產生這種結果的原因很多,分析主要是由于桿體連接節(jié)點處的剛度,桿體加工制造精度,安裝誤差,試驗底部鋼梁受力變形等,都會使桿身變形的實測值比設計理論值偏大,但實測值的變形趨勢和設計值是一致的。第二個特點是,單桿結構頂部位移實測值和設計值的差異量比四桿組合結構的數值要大。經分析,產生差異的主要原因是單桿結構主要承受彎矩作用,套接節(jié)點處容易產生形變,使桿體實測的水平位移比設計值偏大。四桿結構只要承受沿著桿件軸心的拉壓力和較小的彎矩,法蘭連接節(jié)點剛度好,所以位移的實測值和設計值差異比較小。試驗中,桿塔水平位移絕對值和差異值的大小,主要是由桿塔的受力情況和結構特點決定的。單桿鋼管桿位移大,差異值也大,適合500 kV電壓等級中受力較小的直線或直線小轉角桿中;四桿鋼管桿結構受力時,位移小,偏差值也小,適合用于500 kV電壓等級中受力較大的轉角耐張桿中。
圖3 AP-195桿型位移觀測點布置
圖4 TSP10+6桿型位移觀測點布置
圖5 AP-195桿型控制工況100%荷載位移曲線
圖6 TSP10+6桿型控制工況100%荷載位移曲線
控制工況下,兩種桿型的應力最大位置如圖3和圖4 所示位置。AP-195 桿型應力最大位置為,中間桿段的底部,靠近套接位置的受壓側;TSP10+6桿型應力最大位置為,主桿變坡位置處的受壓斜桿。兩種桿型的試驗測量應變-應力數據和設計計算應力如表6所示。
表6 應力測量值與設計值對比
從表6 中可以看出實測應力與計算應力存在一定的差異,實測應力比計算應力數值偏大。單桿結構應力偏差較小,組合鋼管桿結構應力偏差較大。但兩種桿型的偏差數值都在8%以下,且僅在局部位置的應力最大點處??刂坪奢d工況加載過程中,結構穩(wěn)定,變形均勻。加載結束后,無明顯的永久變形產生。試驗過程中產生差異的原因,經分析主要有以下幾個方面。
桿塔加工誤差和材料偏差。加工精度誤差和材料厚度負偏差會導致應力測量數值偏大。
結構設計模型假設條件與試驗真實桿體構件連接的差異。實際桿體結構并非是完全理想的連接形式,如桿段中的插接節(jié)點會存在間隙;鉸接節(jié)點受到約束,并非完全的鉸接連接,導致桿段局部受到額外的彎曲應力,測試應力會變大。
與鋼管桿連接的剛性基礎,試驗過程中基礎底座會存在一定的變形,桿體受力不均勻。
桿塔組立過程中的誤差。桿塔組立過程中的誤差會使桿塔構件安裝完后,存在額外的變形和應力。
通過表6 中的數據比較和分析,試驗中的實測數據與計算數據存在一定的差異,但與計算數據基本吻合,說明桿塔構件傳力和桿件布置是合理的,高強鋼應用在500 kV鋼管桿結構中是可行的。
通過兩種采用高強鋼加工的500 kV雙回路鋼管桿結構的設計介紹和真型加載試驗分析,得出如下結論。
在一些500 kV雙回路輸電桿塔項目中,采用高強鋼設計的直線單桿結構和耐張轉角四管結構是可行的。尤其在線路走廊狹窄的項目中,可以考慮高強鋼鋼管桿方案。
單桿結構適用于受力較小的直線桿,四桿結構適用于受力較大的轉角耐張桿結構。
單桿結構受力模式簡單、清晰,桿體采用插接連接,實測撓度誤差大,應力誤差相對較??;四桿結構受力模型相對復雜,桿體采用法蘭連接,實測撓度誤差小,應力誤差相對較大。