張 健，張文濤，吳光臣

（東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021）

為檢驗(yàn)工程主要塔型在各種主要荷載工況下受力構(gòu)件理論計(jì)算值和實(shí)際受力的符合性，驗(yàn)證塔型結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的安全可靠性，需對(duì)耐張塔進(jìn)行真型試驗(yàn)。靈州—紹興±800kV 特高壓直流輸電線路起于寧夏回族自治區(qū)銀川市境內(nèi)寧東換流站，止于浙江紹興換流站，線路路徑全長(zhǎng)1 720km，采用6×JL1／G2A－1250／100大截面鋼芯鋁絞線。通過(guò)增大安裝臨時(shí)拉線平衡張力，優(yōu)化構(gòu)件布置，精細(xì)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，減小鐵塔質(zhì)量。為驗(yàn)證此方案的可靠性和保證±800kV 特高壓靈紹直流輸電線路工程安全可靠運(yùn)行，本文選擇JC27101耐張塔進(jìn)行真型試驗(yàn)研究分析。

1 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

本工程導(dǎo)線采用的6×JL1／G2A－1250／100 鋼芯鋁絞線，是國(guó)內(nèi)工程中采用的最大截面導(dǎo)線，由于安裝張力巨大，導(dǎo)致耐張塔導(dǎo)線橫擔(dān)及以下的身部和腿部構(gòu)件基本為安裝工況控制。為減小塔質(zhì)量、節(jié)省投資，提出將本工程安裝臨時(shí)拉線平衡張力由DL／T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定的每相40kN 增大到160kN，塔腿主材、導(dǎo)線橫擔(dān)上、下平面以及身部主材材質(zhì)均用Q420鋼，2種臨時(shí)拉線平衡張力方案的鐵塔計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表1。

經(jīng)比較，安裝臨時(shí)拉線平衡張力采用160kN時(shí)，塔腿主材、導(dǎo)線橫擔(dān)上、下平面以及身部主材規(guī)格均較平衡張力40kN 時(shí)規(guī)格小，塔身的質(zhì)量由108.48t降低到97.83t，可降低單基塔身質(zhì)量約10%，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。為驗(yàn)證此方案的可靠性，特將錨線安裝工況定為本試驗(yàn)超載工況。

表1 2種臨時(shí)拉線平衡張力方案計(jì)算結(jié)果

2 鐵塔試驗(yàn)情況

2.1 鐵塔試驗(yàn)工況

JC27101塔試驗(yàn)選取了大風(fēng)、斷線、錨線等8個(gè)控制工況，試驗(yàn)工況順序及控制部位見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況及控制部位

2.2 鐵塔位移數(shù)據(jù)分析

JC27101耐張塔在導(dǎo)、地線掛點(diǎn)、塔身頂部、塔身變坡點(diǎn)、塔腿等關(guān)鍵部位共布置了15個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，主要工況關(guān)鍵變形方向的計(jì)算位移和實(shí)測(cè)位移統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖1 鐵塔位移觀測(cè)點(diǎn)布置

a.橫向位移分析。本試驗(yàn)塔各工況中90°大風(fēng)時(shí)鐵塔橫向位移最大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在90°大風(fēng)工況下，3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)在加載至100%時(shí)的位移觀測(cè)值為323mm，扣除殘余變形47mm，實(shí)際位移值應(yīng)是276mm，比理論計(jì)算值305mm 小29mm，相對(duì)偏差約－9.5%，實(shí)測(cè)值略小于計(jì)算值，說(shuō)明塔身剛度較好，同時(shí)實(shí)測(cè)位移與理論值相差不大。

表3 主要工況100%荷載計(jì)算位移和實(shí)測(cè)位移

b.縱向位移分析。本試驗(yàn)塔各工況中錨外側(cè)導(dǎo)線、內(nèi)側(cè)導(dǎo)線未錨工況時(shí)鐵塔縱向位移最大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在該工況下，10 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)在加載至100%時(shí)的位移觀測(cè)值為828 mm，扣除殘余變形141mm，實(shí)際位移值應(yīng)是687 mm，比理論計(jì)算值493mm 大196mm，相對(duì)偏差稍大，約為39.7%。

c.垂直位移分析。本試驗(yàn)塔各工況中緊內(nèi)側(cè)導(dǎo)線、外側(cè)導(dǎo)線已緊工況時(shí)鐵塔垂直位移最大。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在該工況下，9號(hào)觀測(cè)點(diǎn)在加載至100%時(shí)的位移觀測(cè)值為293 mm，扣除殘余變形109 mm，實(shí)際位移值應(yīng)是184 mm，比理論計(jì)算值220 mm 小36mm，相對(duì)偏差約為－16.4%。

由表3中可看出：本塔部分實(shí)測(cè)位移小于計(jì)算位移，部分實(shí)測(cè)位移大于計(jì)算位移，且有明顯的工況之分；安裝及事故工況實(shí)測(cè)位移大于理論計(jì)算，正常運(yùn)行工況實(shí)測(cè)位移小于理論計(jì)算。在錨外側(cè)導(dǎo)線工況，塔身受扭，地線支架和導(dǎo)線橫擔(dān)端部實(shí)測(cè)變形值最大，但塔身變形不大，應(yīng)該是塔身扭轉(zhuǎn)引起。由于錨線工況是瞬時(shí)荷載，且荷載撤銷(xiāo)后變形可恢復(fù)，不會(huì)影響鐵塔的正常使用和視覺(jué)感官，因而無(wú)須考慮增強(qiáng)鐵塔的抗扭轉(zhuǎn)能力。正常運(yùn)行工況，塔身變形均小于理論計(jì)算值，整體剛度很好，且各個(gè)方向的位移值都不大，說(shuō)明鐵塔剛度可靠，能滿足規(guī)范和線路運(yùn)行的剛度要求。

2.3 鐵塔應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

JC27101耐張塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共布置29點(diǎn)，粘貼應(yīng)變片70片，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，主要工況關(guān)鍵構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力和實(shí)測(cè)內(nèi)力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，殘余值為該工況試驗(yàn)時(shí)退荷到0%后測(cè)量位移值。

表4 主要工況100%荷載構(gòu)件計(jì)算和實(shí)測(cè)內(nèi)力

圖2 鐵塔應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

從表4可看出，由于試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量未考慮鐵塔自身質(zhì)量影響，實(shí)測(cè)內(nèi)力大多小于計(jì)算內(nèi)力；總體來(lái)看實(shí)測(cè)內(nèi)力與計(jì)算內(nèi)力吻合較好，說(shuō)明該塔型設(shè)計(jì)方法合理，鐵塔強(qiáng)度安全可靠。

2.4 超載工況破壞桿件分析

JC27101耐張塔在錨內(nèi)側(cè)導(dǎo)線，外側(cè)導(dǎo)線、地線已錨工況超載到122%時(shí)，橫擔(dān)下平面主材與身部相接處節(jié)間屈曲，導(dǎo)致鐵塔破壞。

橫擔(dān)下平面主材采用雙肢Q420L180mm×16 mm 角鋼，T 型布置，節(jié)間長(zhǎng)度較短（1 410mm）。該主材屬于短粗形，且肢寬較大，具有發(fā)生受壓彎扭屈曲的可能性，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中除考慮正常計(jì)算外，還根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，其繞對(duì)稱軸應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)橫擔(dān)下平面主材應(yīng)力試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值的比較，試驗(yàn)值在各加載階段的應(yīng)力數(shù)值均比設(shè)計(jì)值大7%～9%，分析原因主要是由于在鐵塔理論計(jì)算中，組合角鋼構(gòu)件是按整體統(tǒng)一的理想化構(gòu)件模式參與計(jì)算的，即假設(shè)組合角鋼兩肢受力均勻，無(wú)相對(duì)位移，能協(xié)調(diào)變形及抵抗外力。而實(shí)際受力中，由于需通過(guò)節(jié)點(diǎn)板連接傳力，因此，兩角鋼間存在傳力的不同時(shí)性和不均勻性，且該桿件長(zhǎng)細(xì)比較小，附近節(jié)點(diǎn)布局密、剛度大，引發(fā)的次應(yīng)力較大。

建議鐵塔設(shè)計(jì)中，當(dāng)橫擔(dān)下平面主材采用雙肢角鋼、T 型布置時(shí)，應(yīng)考慮留有適當(dāng)裕度。

3 結(jié)論

a.JC27101耐張塔整體剛度好，能滿足規(guī)范和線路運(yùn)行的剛度要求。

b.JC27101耐張塔內(nèi)力理論計(jì)算與實(shí)際情況吻合，設(shè)計(jì)方法合理，鐵塔強(qiáng)度安全可靠。

c.JC27101耐張塔通過(guò)將臨時(shí)拉線平衡張力由40kN 增加到160kN，降低單基塔質(zhì)量約10%；試驗(yàn)中鐵塔受力狀況良好，驗(yàn)證了此方案合理有效，可在工程中推廣應(yīng)用。

d.鐵塔設(shè)計(jì)中，當(dāng)橫擔(dān)下平面主材采用雙肢角鋼、T 型布置時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)裕度。