Q460高强钢双杆钢管杆真型试验分析

Q460高强钢双杆钢管杆真型试验分析

张亮亮1罗紫电2

1．中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司广东省广州市510663；

2．广东天联电力设计有限公司广东广州510663）

摘要：对Q460高强钢双杆钢管杆进行真型试验，旨在验证设计的合理及安全可靠，并为多杆钢管杆的设计给出建议。首先对国内外的研究现状进行了介绍，其次给出了本试验塔的法兰螺栓和宽厚比所采用的计算公式，然后介绍了试验的工况、位移和应变测点的布置等。试验结果表明：位移满足规范规定的变形要求，应变满足构件承载力要求，说明试验杆的强度和刚度均满足设计要求，并有一定的安全储备；同时节点构造和法兰连接也都安全可靠。最后，建议对方形法兰进行节点试验和有限元分析，同时注意杆顶挠度要求。

关键词：Q460高强钢；双杆钢管杆；真型试验；法兰；宽厚比

1引言

近年来我国电力事业高速发展，电网不断升级，输电线路向高电压、大容量、多回路发展，致使输电塔型越来越大，承受荷载也越来越大，对输电塔的结构设计、钢材选用提出了更高要求[1]。对于城市电网建设，杆型主要以单杆钢管杆为主，多用于220kV及其以下工程中，钢材材质以Q345为主，个别工程应用了Q420[2]，对于Q460高强钢双杆钢管杆，尚未见到研究应用报道。

GSZ451钢管杆是虎门滨海大道线路迁改工程中规划的一个直线杆，采用双杆椭圆型截面布置；杆身主材采用Q460高强钢，横担和法兰采用Q345钢材；主杆法兰为椭圆型，双杆之间的连接横梁法兰为方形。为了检验Q460高强钢钢管杆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，2011年7月28—29日，在中国电力科学研究院良乡试验基地，对GSZ451钢管杆行了真型试验。本次试验的另外一个重点是椭圆型截面的长直边宽厚比、椭圆型法兰及方形法兰的受力与变形，验证其理论计算与构造是否能满足要求。

国内外对于法兰连接的研究和应用较多，但大多局限于圆形法兰连接[3]，对于方形法兰及椭圆型法兰的研究文献较少。Willibald等[4-5]对方形柔性法兰在轴力作用下受力性能进行了试验研究，提出了减少撬力的措施。王元清[6-7]等通过试验与有限元分析，对方形法兰的受力进行了研究，但并未涉及螺栓的受力分析。国内现行的技术规定[8-9]中还没有这对椭圆型法兰或方形法兰的设计公式，设计人员一般都参考圆形法兰的设计方法进行设计。

Q460高强钢椭圆型截面的长直边限值问题，国内外规范[10-11]均没有明确规定。只能参考其中对于箱形截面或矩形截面的设计公式。

本文对GSZ451钢管双杆的设计与试验过程进行了介绍，对试验结果与计算值进行对比分析，为大荷载、多回路条件下的钢管多杆设计给出建议。

2设计概况

2.1设计依据和设计条件

GSZ451试验杆主要执行文献[8-10]进行设计，并参考了类似工程的设计、施工和运行经验。该杆设计风速为36m/s（10m高），无冰。导线为“4×JLR×/EST-500/50型特强钢芯软铝绞线”；地线为“1根LBGJ-120铝包钢绞线，1根OPGW光缆”；水平档距210m（对应3度转角），垂直档距400m，代表档距150m；设计呼高45m，全高72.6m；Q460高强钢采用C级；计算软件为北京道亨公司的“NSA钢管杆设计系统”和自编的一些截面特性计算程序、椭圆形法兰和方形法兰计算程序等。

2.2设计要点

2.2.1设计参数

本试验杆所用的高强钢材和螺栓的强度设计值见下表1所示。

表1钢材和螺栓的强度设计值

材料厚度或直径（mm）抗拉（MPa）抗压/抗弯

（MPa）抗剪

（MPa）孔壁承压

（MPa）

Q460C钢≤16415415240590

>16~35395395230565

8.8级粗制螺栓---400---300800

2.2.2设计要点

（1）重要性系数取1.1。

（2）法兰螺栓计算。本试验塔的法兰螺栓按参考文献[8-9]中的公式（如下）进行计算，其中旋转轴取管中心。

式中：N—受力最大的一个螺栓的拉力；M—法兰所受的弯矩；y1—螺栓群中和轴至最大拉力螺栓的距离；yi—每列第i个螺栓至螺栓群中和轴的距离。

（3）长直边宽厚比限值。文献[10]中对于箱形截面宽厚比的限值为：

文献[11]对矩形截面宽厚比的限值为：

本试验塔的最大宽厚比为24.9，其中杆底为22.5，均小于上述限值。

3试验概况

3.1试验工况

试验于2011.07.28~29在中国电科院良乡试验基地进行。GSZ451-45试验杆设计工况共67个，选取了其中8个控制工况进行试验[12]，如下表2所示。其中工况①~⑦的加荷级别为：0-50%-80%-90%-95%-100%-50%-0；工况⑧的加荷级别为：0-50%-80%-90%-95%-100%-105%-110%-115%-50%-0。

表2试验工况和目的

工况号工况名目的

1长期挠度计算检验杆体长期变形是否符合规范要求

2同时断右地线和右下导线地线横担在控制工况下的承载力和变形状况

3同时断右上、中导线按照规范要求，检验同时断2回导线时，杆体承载力和变形状况

4起吊右下导线、其它导线均已装（地线已装）导线横担在控制工况下的承载力和变形状况

5锚右下导线、其它导线均已锚检验常用安装工况下，杆塔的承载力和变形状况

690度大风计算主杆纯轴力的承载力状况和变形状况

70度大风计算主杆纯弯矩下承载力状况和变形状况

845度大风计算主管受压受弯的承载力状况和变形状况

3.2测点布置

试验杆的位移测点和应变布置如下图1所示。位移测点共14个，以1、2、3…编号；应变测点共20个，每个测点贴应变片3~20个不等，共计102个。试验顺利通过表2中8个工况的测试，试验现场加载情况如图2所示，其中45度的大风超载115%。

（a）位移侧点（b）应变测点

图1位移及应变观测点布置图

4试验结果分析

4.1位移结果分析

各个试验工况下，主要变形点的实测位移与理论计算结果，汇总见下表3。

实测位移受到众多因素的影响，如初始缺陷、加工误差、安装过程中螺栓就位、加荷钢丝绳等因素都会引起实测位移与理论计算的不一致。具体分析如下：

图2钢管杆现场试验照片

表3各工况实测位移与理论计算位移

工况号工况名加荷

级别位移

测点横向位移（mm）纵向位移（mm）竖向位移（mm）

理论值实测值理论值实测值理论值实测值

1长期挠度计算100%263-815-3935

2同时断右地线

和右下导线100%1140-16989953176123

14265295464102152

3同时断右上、中导线100%1253-1010361006113133

1338-3684725100118

4起吊右下导线，

其它导线均已装（地线已装）100%1447640-10191381

5锚左下导线，其它导线均已锚100%10-3-2019264148256

690度大风计算100%285815890-2602927

70度大风计算100%2815951914419535327

845度大风计算100%2804108737312138296171

945度大风计算115%2934137743722708405239

（1）钢管杆构造简单，杆件都是按照梁单元建模计算。因此，大部分工况下，理论值与实测值符合的都较好。

（2）双杆2个方向的刚度较单杆都要大很多，因此长期挠度工况位移很小，很容易满足规范5‰的挠度限值。

（3）90度大风工况下的最大位移为横向1589mm，卸载后残余变形为398mm。在第二天进行0度工况试验之前，重测残余变形基本为0。且对0度大风工况的横向位移几乎没有影响。说明在弹性范围内，Q460钢材的变形协调性能良好，试验杆构造和加工精度良好。

（4）实测最大位移发生在工况7：0度大风。该方向的刚度最小，受力状态基本等同于单杆。Y向位移4.419m，全塔挠度为6.09%，在正常比例范围内，该塔满足规范刚度要求。

（5）控制工况为45度大风，超载至115%时，其实测位移分别为横向1.377m，纵向2.708m，竖向0.239m。与理论计算相差较大，分可能是由于0度大风的残余变形较大，还没有恢复的情况下造成的。

4.2应变结果分析

考虑到钢管杆自身的重力，在试验加载前已经引起了杆件的应力和应变。因此，对应的理论分析值，也是考虑了钢管杆的自重。各个试验工况下，主要测点对应的轴力、弯矩实测值与理论值的对比，汇总见下表4。

表4各工况测点对应的轴力、弯矩计算值与实测值对比

杆件

类型控制

工况杆件规格（长×宽×厚）测点

编号实测值计算值

最大应力/Mpa轴力或剪力/（kN）综合应力/Mpa轴力或剪力/（kN）

横担起吊Q345∅580×380×121-297.2----283.4100.5

横梁90度大风Q460∅400×400×10482.0955.8193.0505.3

主杆Q460∅2000×1000×2018-223.9-8419.5-139.3-7761

主杆0度大风Q460∅1191.9/730.6×1610-298.7----291.3-674.9

11-347.1----338.3-122.9

Q460∅2000×1000×2017-341.5596.7-340.5301.7

18-336.4-2408.7-348.7-1377.1

主杆45度大风

（100%）Q460∅1191.9/730.6×1610-280.3----358-3669.2

11-147.6----343.44290.9

Q460∅1750.9/917×2015328.65613.5323.75823.5

16-324.6-3640.2-341.3-7067.1

Q460∅2000×1000×2017311.04687.1381.95671.3

18-293.4-6227.8-369.8-7219.3

主杆45度大风

（115%）Q460∅1191.9/730.6×1610-322.5----417.8-4225.8

11-178.5----401.54948.2

Q460∅1750.9/917×2015370.26590.6377.06712.8

16-371.0-7157.5-397.9-8141.2

Q460∅2000×1000×2017337.15533.4445.96536.8

18-337.7-7334.5426.7-8316.5

应变的测量受到气象条件、应变片的黏贴质量等因素影响很大，这些都会影响了实测值与理论计算的符合性。具体分析如下：

（1）钢管杆构造简单，杆件都是按照梁单元建模计算。因此，大部分工况下，理论值与实测值符合的都较好。

（2）横担只有1根钢管，构造简单，传力清晰。起吊时受到弯剪共同作用，实测值与计算值吻合的很好。

（3）横梁的控制工况为90度大风，加载至100%时，横梁主管及其法兰均未屈服，但其实测值与理论计算有较大的误差。分析原因可能是实测点的具体位置与理论分析位置偏差引起的。

（4）0度大风的受力基本等同于单杆，4个测点的实测值与理论值相差无几，吻合的非常好。这也证明了单杆的计算理论是非常成熟的。

（5）45度大风是超载工况。此时钢管双杆在横担方向是轴力，在顺线行方向是弯矩作用。此时的受力状态比较复杂，实测的轴力与理论值基本一致，但是弯矩相差的较大，分析其原因可能是受到横梁的影响，双杆的受力不是简单的叠加。超载致115%时，主管及法兰等并无明显的屈服破坏。说明设计是安全可靠的，并有一定的裕度。

5结论

通过对Q460C高强钢双回路钢管杆GSZ451-45真型试验的试验情况和试验数据分析，得到以下结论和建议供工程设计参考：

（1）使用Q460C高强钢材，能够满足输电线路钢管杆的设计要求，同时可降低单基塔重，建议在市区的输电线路工程中适当应用。

（2）横梁为方形法兰，其受到弯剪的共同作用，受力状态比较复杂。且对于方形法兰目前还没有成熟的设计方法。建议进行节点试验和有限元计算。

（3）试验超载致115%，杆底主管并无明显的屈服破坏，说明设计是安全可靠的，杆的强度和刚度均符合设计要求，并有一定的裕度。建议在工程中可以适当加大宽厚比限值，但应控制在28.6以内。

（4）直线双杆在顺线行方向的刚度较小，其位移较大。考虑是在市区中走线，应根据工程需要适当提高长期挠度和最大挠度的要求。

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[12]DL/T899-2004，架空线路钢杆塔结构荷载试验[S]．

作者简介：

张亮亮，1982，男，汉族，河南省焦作市，硕士，工程师，从事输电工程方面的设计与研究工作。

罗紫电，1981，女，汉族，湖南省益阳市，硕士，工程师，从事输电工程方面的设计与研究工作。