石 岩，杨 波，罗 军

（1.济南供电公司，山东 济南 250012；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250001）

0 引言

输电铁塔主要包括角钢塔、钢管塔、钢管角钢组合塔、钢管杆等。原材料主要是热轧等边角钢、无缝钢管、直缝焊管、钢板等，其中直缝焊管和钢管杆由钢板卷制焊接而成。2005年以前，我国输电铁塔用钢牌号主要是Q235和Q345。随着超高压、特高压、同塔多回、大跨越等工程的建设，铁塔承受的荷载不断提高，对钢材的材质和规格等提出了更高的要求。为适应输电线路高电压、大荷载、多回路的需要，输电铁塔应提高材料强度级别和质量级别，优化和改进杆塔结构设计，提高材料规格。

1 输电铁塔技术发展及技术经济性分析

1.1 Q420、Q460高强度等级的钢材

相对于Q235和Q345等级角钢，采用Q420和Q460高强度等级角钢，在构件长细比80以下可有效提高构件承载力。而铁塔主材长细比以强度控制为主，长细比在40左右，高强度钢材的性能发挥较充分，优势明显［1］。 在输电铁塔上应用 Q420、Q460高强钢，与应用Q235钢和Q345钢相比，在满足杆塔大型化、大荷载要求的情况下，可有效降低塔重。在相同荷载情况下，采用Q420钢可比采用Q345钢降低塔重6%～8%，采用Q460钢可比Q345钢降低塔重8%～12%。

以750 kV官亭—兰州输电线路等8个试点工程为依托，国家电网公司协调组织了高强钢的集中采购供应和高强钢铁塔加工的监造工作等。以晋东南—南阳—荆门1 000 kV特高压交流输电工程全线采用Q420高强钢为标志，高强钢进入了全面推广应用阶段。在输电线路中推广应用Q420、Q460高强度钢材是国家电网公司推动基建技术创新、实施产业升级的重要举措，是提高输电线路科技水平，降低工程造价的重大突破。

推广应用高强钢能够缩短我国与发达国家在输电线路塔材级别上的差距，有效降低钢材用量，促进钢铁行业的技术进步，节省线路建设投资，具有显著的社会效益、环境效益和经济效益。

1.2 钢管塔

与角钢塔相比，钢管塔具有构件风压小、刚度大、结构简洁、传力清晰等优点。采用钢管作为主要受力构件，与角钢塔相比，单基塔重可减轻15%～20%甚至更多，节省基础砼量20%左右。若将高强钢应用到钢管塔中，效益更加明显，与Q345钢管相比，采用Q420高强钢管直线塔塔重减少4%～7%、转角塔塔重减少8%～12%；与Q345钢管相比，采用Q460高强钢管直线塔塔重减少6%～9%，转角塔塔重减少10%～15%［2］。

相对角钢塔，生产加工钢管塔，焊接量大，自动化程度低，生产周期长，采购单价较高，且钢管塔单件重量较大，山区运输困难，需要有专用的运输和施工装备。因此，钢管塔的应用需要进行综合技术经济性比较，合适时可在大荷载杆塔中应用。

20世纪80年代，国际上许多国家在开发特高压输电线路时，开始将钢管型材应用到了铁塔结构中，出现了以钢管为塔体主材的钢管塔。在日本，1 000 kV的超高压线路及高塔中几乎全部使用了钢管塔。

国内在500 kV双回路铁塔和同塔四回铁塔中也已使用钢管型材，体现出了其良好性能和效益。其优点表现在：一是可以减小塔身风压（构件体形系数，圆管比角钢几乎小一倍）；二是在截面面积相等的情况下，圆管的回转半径比角钢大20%左右；三是提高了结构承载能力，一般来讲，钢管塔比角钢塔的钢材用量降低10%～20%；同时还可减少杆件数量，缩短建塔周期，易于结构多样化。

钢管的使用也存在钢管型材规格品种有限、质量参差不齐、价格高等缺点，同时钢管间连接的节点构造复杂，加工生产效率低。

1.3 普通规格角钢组合、大规格角钢及其组合

在大规格角钢大量应用前，角钢塔采用的均为肢宽为200 mm及以下的普通规格角钢，要提高角钢塔主材承载力，寻求较大回转半径的杆件，唯一的办法是采用十字双拼角钢组合构件（主要是十字双拼组合和十字四拼组合），以增大截面积，以减少主材节间的长细比来提高其整体稳定系数，增加杆件承载力。 相对单肢普通规格角钢，十字双拼角钢组合构件回转半径增大，可提高主材承载力，但角钢间受力分配不均匀，角钢构件的制孔、焊接等加工质量和施工质量等是铁塔安全的主要控制因素。

由于大规格角钢的应用量不大，材料市场供应少，材料的供应一直是瓶颈问题。2009年以来，在特高压直流工程上，国家电网公司积极应用大规格角钢，促进了大规格角钢的生产工艺和加工技术的大幅度提升。自锦屏—苏南±800 kV特高压直流输电线路工程试点应用以来，高强度大规格角钢先后在哈密南—郑州和溪洛渡—浙西等直流工程中大量应用。由于大规格高强度角钢肢宽和肢厚均较大，截面面积比常规输电铁塔用最大规格角钢L200×24大得多，可大幅提高单构件承截力，实现单根大规格角钢替代组合角钢，或者十字双拼大规格角钢替代四组合角钢。 双拼和四拼角钢由于构造的原因，角钢间受力分配不均匀，铁塔的加工量成倍增加，螺栓的通过厚度和通过层数增加，给输电线路铁塔的施工带来很大难度。主材采用单肢高强度大规格角钢替代十字双拼普通规格角钢组合可避免上述不足，采用十字双拼大规格角钢组合替代十字四拼普通规格角钢组合可减低上述难度。

相对钢管塔，组合角钢塔焊接量少，单构件重量轻，适用于山区中的运输和安装。相比普通规格组合角钢塔，采用大规格角钢可降低塔重3%左右［3］，有利于节能减排，提升国内加工制造业技术水平和竞争能力。

2 铁塔关键技术

2.1 钢管塔新型构造

带颈锻造法兰（对焊法兰）。钢管塔主材的连接方式主要是法兰连接，国内输电线路钢管塔主要采用有加劲法兰和无加劲法兰，带颈锻造法兰尚未应用［4］。带颈法兰为一体锻造而成，且锻压工艺使金属组织更加紧密，提高了材料力学性能，与有加劲法兰相比，焊缝少、加工效率高且容易保证产品质量；与无加劲法兰相比则具有较高的强度和刚度。正由于带颈锻造法兰的上述优点，1 000 kV淮南—上海（皖电东送）输电工程钢管塔首次采用了带颈锻造法兰连接主材。

国内的带颈法兰主要有平焊和对焊两种型式［5］，如图1所示。平焊法兰与钢管的连接方式是钢管插入到法兰颈内，容易在钢管外壁与法兰颈内壁之间产生一定的间隙，如果角焊缝存在沙眼、夹渣等缺陷，法兰酸洗时酸洗液体会从缺陷处进入平焊法兰颈内壁和钢管外壁之间的间隙，随后在镀锌池中镀锌时，高温会使间隙中的液体转为气体并迅速膨胀，导致间隙内压迅速加大而胀裂焊缝，严重时甚至产生爆管。特高压工程推荐采用带颈锻造法兰中的对焊法兰，该法兰节点只有一条环向焊缝，焊接工作量相对较少。但对焊接的工艺、设备和焊接人员的技术要求均较高。该焊缝质量要求不低于二级焊缝，易检测，焊接质量容易得到保证。

图1 带颈法兰焊接

插板型式。构件连接的插板型式有U型、I型、C（槽）型、T型和X（十字）型插板等型式，5种插板应根据杆塔构件的位置，受力特性、受力大小和构造要求进行布置，布置在不同的部位，可有效解决结构内力、结构构造和加工制造、施工安装中的矛盾。插板型式不同对杆件承载力是有一定影响的，不同型式的插板承载力有较明显的差别。1 000 kV淮南—上海（皖电东送）输变电工程，摒弃了相贯焊接，见图2（a）。主—斜连接、斜—斜连接、主、斜—辅连接均采用了插板型式，见图 2（b）。

图2 主斜材连接

2.2 十字形普通规格角钢组合

在较大荷载杆塔中，单肢普通规格角钢难以满足承载力要求，为使角钢断面有较大的回转半径，需采用双角钢十字形组合构件。组合角钢铁塔中常规的主斜材连接方法是斜材都连到角钢组合主材靠塔里侧的一肢上，见图3（a），最近设计人员采用将斜材分别连到主材双肢上，见图3（b）的新型连接方法。从两种方式的构造上分析，新型连接方式的受力更合理一些。填板主要有一字形填板、十字分离式填板和十字形焊接填板三种布置方式（图4）。3种填板型式中十字形焊接填板对主材承载性能帮助最大，但其对加工和安装要求较高［6］。

图3 十字双拼角钢组合型式

图4 填板布置方式

2.3 大规格角钢截面特性

双拼普通规格角钢组合2L160×10至2L200×24的截面面积范围为63.0～181.3 cm2，最小回转半径的范围为6.27～7.64 cm；大规格角钢L220×16至L250×35的截面面积范围为68.7～163.4 cm2，最小回转半径的范围为4.37～4.86 cm［7］。高强度大规格角钢肢宽和肢厚均较大，截面面积比普通规格角钢中最大截面的L200×24大得多，单构件承截力大幅提高。双拼普通规格角钢组合可由单肢大规格角钢替代。

四拼普通规格角钢组合4L160×10至4L200×24的截面面积范围为126.0～362.6 cm2，最小回转半径的范围为6.57～8.43 cm。双拼大规格角钢组合2L220×16至 2L250×35的截面面积范围为 137.3～326.8 cm2，最小回转半径的范围为8.59～9.46 cm。 四拼普通规格角钢组合均可由双拼大规格角钢组合替代，承截能力和结构构造具有优势，应用性强。

相对普通规格角钢，大规格角钢在肢宽和肢厚上均增大，其构件的设计计算可以参考普通规格角钢计算方法，与普通规格双拼或四拼角钢构件相比，大规格角钢具有更好的受力整体性和均匀性，结构受力后产生的杆端弯矩较小，其受力比角钢组合更接近二力杆，大规格角钢输电铁塔与普通角钢塔在计算理论上不存在本质区别，在构造上也可沿用普通规格角钢的构造设计方法。

3 铁塔新技术发展方向

3.1 Q460钢材的应用

目前，Q460钢材还没有推广应用的趋势。Q420热轧角钢在同塔多回、特高压交直流等荷载较大的铁塔中已经全面应用，Q460热轧角钢得到试点应用。Q420、Q460钢管塔处于研究及试点应用阶段，主要应用于750kV酒泉—安西双回线路（Q420）、500kV练塘—泗泾（Q460）、500 kV 扬州西送出（Q460）等。考虑到高强钢焊接和市场供应问题，Q460角钢完全可以用于少焊接和非低温地区的角钢塔。

3.2 L300大规格角钢的应用

采用单肢大规格角钢，可避免双拼和多拼角钢间受力分配不均匀，降低输电线路加工量和施工难度。对于单肢L250大规格角钢满足不了铁塔承载要求的情况，可以采用单肢L300大规格角钢。

4 结语

为提高输电铁塔承载能力，进一步降低工程造价，应逐渐采用高强度钢材铁塔。 一是提高材料强度级别和质量级别，如推广应用Q420、Q460高强度等级的钢材等；二是优化和改进杆塔结构设计，如推广应用钢管塔的带颈法兰和插板等连接形式；三是提高材料规格，如在角钢塔中使用普通规格角钢组合、大规格角钢及其组合。具体选用哪种方式，需根据输电线路工程的具体情况，通过综合技术经济比较，进行设计。下一步应继续开展Q460钢材和高强度L300大规格角钢的研究和应用，以进一步提高线路建设的技术经济性。

［1］ 邢海军，李茂华，杨靖波，等.大宽厚比Q420角钢轴压构件稳定性能试验研究［J］.中国电力，2010，43（10）：23-26.

［2］ 孙竹森，程永锋，张强，等.输电线路钢管塔推广应用研究［J］.电网技术，2010，34（6）：186-192.

［3］ 陈大斌，齐立忠，李晋，等.十二五期间电网工程大规格角钢推广应用数量及其经济性预测分析［J］.电力建设，2012，33（2）：79-83.

［4］ 陈海波，邢海军，李振福.750 kV输变电钢管塔架结构承载力及构造的试验研究［J］.中国电力，2005，33（19）：17-20.

［5］ 吴静，张大长，杨靖波，等.特高压输电钢管塔应用高颈锻造法兰的试验研究［J］.建筑结构学报，2010，31（1）：153-158.

［6］ 李振宝，石鹿言，邢海军，等.Q420双角钢十字组合截面压杆承载力试验［J］.电力建设，2009，30（9）：8-9.

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