杜荣忠

（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁，530023）

Q420大截面角钢在特高压输电线路中的应用

杜荣忠

（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁，530023）

随着我国经济建设的快速发展，“用电荒”现象日益严重。为了均衡不同区域间电力产能，越来越多的同塔多回路、特高压输电线路开始建设。这些线路具有导线荷载大的特点，与之相对应的铁塔上的负荷也很大，如果按照传统习惯，继续使用Q345钢材，一般要用到组合角钢（双拼角钢或四拼角钢）或者钢管。组合角钢大大增加了塔重，且加工量很大，而钢管塔加工复杂、焊接量大，不便于山区运输。为突破传统，使用Q420高强度大截面角钢（简称大角钢），在一定程度上可以避免使用组合角钢，成倍减少铁塔的加工量，大量减少连接螺栓和填板，减少铁塔钢耗，也使铁塔组立的施工量和施工难度大大减小，在工程中应用Q420大角钢是值得研究的课题。

1 Q420大角钢的特点

1.1 大角钢与十字双拼组合角钢（简称十字双角钢）的基本截面特性参数

大角钢特指强度等级Q420、肢宽b大于200mm，小于250mm的单角钢，其较普通单角钢具有肢宽与肢厚均较大、截面面积大、回转半径大、承载能力高的特点。其截面示意图见图1，其截面特性表见表1[1]。

图1 大角钢截面示意图Fig.1 Section of large width angle steel

十字双角钢是指通过节点板和中间填板将2个单角钢拼接起来共同承力的十字形组合角钢，其截面示意图见图2，其截面特性表见表2[2]。

表1 大角钢规格及截面特性表Tab.1 Specification and section characteristic of large width angle steel

图2 十字双角钢截面示意图Fig.2 Section of crisscross double built-up angle steel

表2 十字双角钢规格及截面特性表Tab.2 Specification and section characteristic of crisscross double built-up angle steel

1.2 大角钢与十字双角钢临界计算长度

在铁塔优化设计中，合理的结构布置形式可以有效降低塔重，而且可以使受力合理，有效节约成本，而设计时塔身主材的规格主要由“轴心受力构件的强度计算”和“轴心受压构件的稳定计算”2个计算过程控制，当强度应力等于稳定应力，且均达到最大值时，该材料达到了临界受力状态，称此时杆件的计算长度为临界计算长度。以下为确定临界计算长度的过程。

根据轴心受力构件的强度计算公式[3]

式中，N为轴心拉力或轴心压力设计值，N；m为构件强度折减系数；双肢连接的主材，m＝1；An为构件净截面面积，mm2；f为钢材的强度设计值，N/mm2。

对Q420钢材，肢厚≤16时，f=380N/mm2；35≥肢厚>16时，f=360N/mm2。

根据轴心受压构件的稳定计算公式[3]

式中，Φ为铁塔轴心受压构件稳定系数；A为构件毛截面面积，mm2；mN为压杆稳定强度折减系数。

角钢构件的mN计算公式为

式中，b为角钢翼缘板自由外伸宽度，mm；t为角钢肢厚，mm。

根据式（1）、式（2），可得临界稳定系数

式中，L0为构件计算长度，r为构件回转半径。

对2端双肢连接的主材长细比修正系数K=1；据《低合金高强度结构钢》表6[4]，Q420钢材屈服强度值fy，t≤16mm时，fy=420N/mm2，t>16mm时，fy=400N/mm2，据《钢规》表c-2[5]，通过查表中的Φ值反算出λ值，进而由式（5）求出临界计算长度L0。

通过计算，列出了部分普通角钢和大角钢及部分十字双角钢的临界计算长度，见表3。超过临界计算长度范围内的主材为稳定控制，否则为强度控制。采用接近此计算长度的角钢较能充分利用钢材的抗压能力。临界计算长度为理想的布置长度，在实际塔身布置过程中，由于需综合考虑斜材的角度、辅助材的布置形式、本体和接腿的合理衔接，不一定完全按照临界计算长度来布置节间。根据笔者在设计铁塔过程中的经验，给出了建议计算长度，以供读者参考；由于部分薄壁角钢易局部失稳，在铁塔设计中不建议使用，在此一并给出。

从表3数据可以直观地看出大角钢同十字双角钢临界计算长度的差异，双角钢要较大角钢计算长度大许多，因此，十字双角钢可以布置较少的辅助材，可以有较大的节间长度，而大角钢则在布置斜材和辅助材时，节间较密，增加了辅助材的重量。因此，在辅助材用量上，十字双角钢比较省材。

表3 Q420角钢的临界计算长度Tab.3 Critical effective length of Q420angle steel

1.3 大角钢与十字双角钢主材应力比控制

考虑到施工、安装等的误差，以及角钢材料加工缺陷等一些不可预知的不利因素的影响[6]，结合工程设计经验，主材应用大角钢时，设计应力比控制为0.95，可以有效的保证铁塔的安全。在主材中使用十字双角钢，根据《钢规》第5.1.2.1条[5]，双轴对称十字双角钢应考虑扭转屈曲

式中，λx1＝Lq1/rx1，λy1＝Lq2/ry1；b为角钢悬伸一肢的悬伸长度；t为悬伸部分厚度；Lq取max（Lq1，Lq2）。通过计算可确定部分十字双角钢的扭转屈曲计算长度。结合笔者铁塔设计经验，当实际计算长度≤扭转屈曲计算长度时，主材应力比控制为0.9；当实际计算长度≥扭转屈曲计算长度时，主材应力比控制为0.95；根据铁塔真型试验结果表明：由于十字双角钢本身的原因，角钢间受力分配不均匀，造成铁塔结构在理论破坏荷载前破坏，十字双角钢铁塔需预留较大裕度[7]。在充分考虑十字双角钢的扭转屈曲和结构受力缺陷，笔者列出了十字双角钢的主材应力比控制程度，见表4，供参考使用。

表4 十字双角钢主材控制应力比Tab.4 Control stress ratio of crisscross double built-up angle steel main leg

2 应用实例

本文选取糯扎渡送电广东±800kV直流输电线路工程中应用频率较高的J2713塔为实例，其主材应用了Q420大角钢，设计时为了做到最优设计，采用自立式铁塔满应力分析程序（北京道亨2.0版）对J2713分别建立大角钢模型和十字双角钢模型进行优化设计。

2.1 材料选用

通过跟目前国内的塔厂进行沟通了解塔材供货情况，为了方便批量化生产，并考虑角钢的局部稳定，本工程的大角钢采用了如下规格：L220×20～L220×26、L250×20～L250×30。规格在L140×10以上的主材角钢采用Q420钢，M16、M20螺栓采用6.8级，M24螺栓采用8.8级。

2.2 J2713塔设计条件及建模计算

J2713塔设计条件见表5。由于大角钢与十字双角钢的临界计算长度不同，为了比较塔身主材使用两种截面所引起的塔重变化，在充分考虑临界计算长度，并考虑结构布置形式合理性的基础上，分别建立两种模型进行优化计算，模A为大角钢，模B为十字双角钢。单线图见图3（a）和图3（b），2种模型采用设计荷载、上口宽、瓶口、根开完全相同的情况下进行比较。

2.3 计算结果

模A主材应力比控制为0.95，模B主材应力比按前表4控制。表6统计了模A和模B全塔塔重变化比较情况。

表6 J2713塔重比较Tab.6 Weightcomparison ofJ2713tower

图3 J2713塔各模型单线图Fig.3 Diversified models outline of J2713tower

从表6中可以看出，采用大角钢较采用同根开的十字双角钢，铁塔总重量可以减轻约4.8%，而且大角钢具有构造简单、加工方便、传力较好的优点，应用在大荷载的铁塔上，是非常值得大范围推广使用的。

2.4 经济效益

采用大角钢后减少了塔重，降低了线路造价，以J2713塔54m呼称高为例，按照目前的市场价，铁塔单价暂按8500元/t进行估算，主材采用Q420十字双角钢暂按1750元/t估算安装费，主材采用Q420大角钢暂按1400元/t（1750×80%元/t）估算安装费[7]。J2713塔主材采用Q420十字双角钢与Q420大角钢总费用见表7。由表7可以看出，J2713塔（呼称高54m）主材采用Q420大角钢可以节省9.34万元，约占总成本的8.0%。

3 结语

通过理论和建模计算分析比较，得出了如下结论：

表7 J2713塔总费用对比Tab.7 Total cost comparison of J2713tower

1）采用大角钢，可以避免使用组合角钢，以达到减少加工量、减少连接螺栓和填板、方便加工和安装、有效降低施工难度的目的。

2）采用大角钢，可以避免使用十字双角钢而造成的主材受力不均匀以及十字形截面扭转屈曲而引起的截面削弱。

3）采用大角钢，较使用同等条件下的双角钢，可以节约塔材约4.8%。

4）糯扎渡±800kV直流工程中的J2713塔（呼高54m）主材采用Q420大角钢后，每基铁塔节省成本9.34万元，全线该塔数量众多，可有效降低工程造价；因此大规模推广使用Q420大角钢，有着巨大的经济效益。

[1]中国南方电网有限责任公司超高压输电公司.糯扎渡送电广东±800kV直流输电线工程铁塔施工图制图统一规定[R].广州：中国南方电网有限责任公司，2010.

[2]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京：中国电力出版社，2003.

[3]DL/T5154-2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2002.

[4]GB/T 1591-2008低合金高强度结构钢[S].北京：中国标准出版社，2008.

[5]GB 50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[6]艾华，林彬彬.云广±800kV特高压直流输电线路铁塔组立方案[J].南方电网技术，2009，3(1):76-78.

AI Hua,LIN Bin-bin.Assembling and Erection Schemes forTransmissionLineTowersinYunnan-Cuangdong±800kV UHVDC Project[J].Southern Power System Technology,2009,3(1):76-78(in Chinese).

[7]黄璜，李清华.Q420大规格角钢在±800kV特高压杆塔中的应用[J].电力建设，2010，31(6):65-69.

HUANG Huang,LI Qing-hua.Application on Q420Large Width Angle Steel in±800kV UHV Transmission Tower[J].Electric Power Construction,2010，31(6):65-69(in Chinese).

[8]易智婷，秦博.输电线路大跨越工程造价特点及影响因素分析[J].南方电网技术，2008，2(5):76-78.

YI Zhi-ting,QIN Bo.Analysis on Construction Cost Characteristics and Influence Factors for the Long Span Projectof Transmission Lines[J].Southern Power System Technology,2008,2(5):76-78(in Chinese).

[9]GB50545-2010110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[10]邱伟，钟杰峰.糯扎渡特高压直流规模对广东电网影响研究[J].南方电网技术，2009，3(6):18-21.

QU Wei,ZHONG Jie-feng.Study on Nuozhadu UHVDC Transmission Project′s Capacity Affecting the Guangdong Power Grid[J].Southern Power System Technology,2009,3(6):18-21(in Chinese).

Applications of Q420Large Section Angle Steel in UHV Power Transmission Line

DU Rong-zhong
（GuangxiElectricPowerIndustryInvestigationDesignandResearchInstitute,Nanning530023,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China）

Considering the section characteristic of large width angle steel,the critical effective length of large width angle steel and part of crisscross double built-up angle steel is calculated through theoretical analysis.The stress ratio control of large width angle steel and crisscross double built-up angle steel in the project design is analyzed.Taking the J2713tower in±800kV DC transmission line from Nuozhadu to Guangdong Province as an example,this paper analyzes the design result and economic efficiency through establishing double models of large width angle steel and crisscross double built-up angle steel,and optimizing calculation,and concludes that the Q420large width angle steel is worthy of large-scale application.

large section angle steel；crisscross double built-up angle steel；UHV；critical effective length；stress ratio；torsion buckling；economic benefits

结合大截面角钢的截面特性，通过理论分析计算出了大角钢及部分十字双角钢的临界计算长度，并分析了设计中对大角钢和十字双角钢的应力比控制情况；以糯扎渡送电广东±800kV直流线路中的J2713塔作为实例，通过建立大角钢和十字双角钢2种模型，经过优化计算，并对设计结果和经济效益进行分析比较，Q420大角钢值得大规模推广应用的结论。

大截面角钢；十字双角钢；特高压；临界计算长度；应力比；扭转屈曲；经济效益

1674-3814（2011）11-0030-05

TM75

B

2011-06-22。

杜荣忠（1981—），男，硕士，工程师，主要从事输电线路铁塔结构设计与研究工作。

（编辑 董小兵）