冷弯型钢在输电铁塔上的应用方向

2018年10月17日

我国冷弯型钢在输电铁塔上的应用方向

     我国每年要新建110kV级以上的输电线路约17000公里,每年建设输电铁塔要耗用钢材约45万吨。随着我国电力业的快速发展,大容量、长距离、高电压的输电线路越来越多,杆塔的荷载越来越大。 
    同时由于我国土地资源紧缺以及环保要求提高,使得线路走廊、拆迁问题日趋严重,为缩小线路走廊、减少拆迁量和占地和基础土方开挖,多回路同塔并架和大坡度的铁塔将越来越多地被采用。随着杆塔规模同大型化发展,组成铁塔型材的规格也越来越大,使得目前常用的低强度热轧角钢已难以满足使用要求,寻求新形式、新品种的型钢材料已成为必然。 
    随着我国钢铁工业的发展和科学技术水平的不断提高,我国高强度级别钢材和其他形式的型钢产品越来越多地涌现。冷弯薄壁型钢以其重量轻、强度高、材料利用率高以及施工方便等优点,已被建筑、交通、市政、工业和民用用品等行业广泛使用。本文对输电铁塔中使用高强冷弯薄壁型钢的可行性进行了一些探讨,希望以此来推动冷弯薄壁型钢产品在电力行业的使用。 

1
、输电线路铁塔的发展现状 
                 
     我国输电线路铁塔目前用材主要以热轧角钢型材为主,辅以少量钢管,钢材的品种以Q235Q345两种为主,铁塔采用热镀锌防腐,使用年限约为50年。随着钢铁工业的不断发展,铁塔使用的钢材在材质和类型上也有了一定的改进。具体表现为: 
      
高强度钢材的使用。我国输电铁塔结构所用钢材,与园外先进国家相比,品种单一、强度值偏低、可选择余地小。当杆塔荷载较大时,只能采用组合截面来弥补材料强度低的不足,增大了设计、加工的工作量和投资。美国《输电铁塔设计导则》中共推荐了10种材料标准供设计者选用,其高强钢材的屈服强度达到448MPa。俄罗斯的《钢结构设计规范》中所列钢材的强度等级已达到578Mpa。近年来,随着我国冶金工业的不断发展,高强度钢材的生产已经不再是难事,我国的高强度结构用钢的质量提高较快且日渐稳定,供货渠道日趋通畅,为输电线路杆塔中采用高强度钢材提供了可能。在75OkV输电线路的前期科研项目中,国家电力公司电力建设研究所已经对高强钢使用将要遇到的节点连接构造、构件设计参数取值、配套螺栓以及经济效益情况进行了研究:认为目前从技术和使用上,高强钢已完全具备了在铁塔中使用的条件,并且高强钢的使用可降低铁塔重量10%-20%。但目前高强钢大量使用的最大障碍是型钢材料的供应。铁塔需要的型钢品种多,各规格成批的需求量不大,同时高强型钢成形难、轧模成本高、轧辊调整困难,使钢厂生产高强型钢的积极性不高,供货难以保证。 
      钢管塔的使用。上世纪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,10OOkV的超高压线路及高塔中几乎全部使用了钢管塔,他们对于钢管杆的设计技术研究非常透彻。 
     借鉴国外经验,国内在5OOkV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。但钢管的使用也存在钢管型材规格品种有限、外面质量不好、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。 
     冷弯薄壁型钢的使用。冷弯薄壁型钢的使用在国外已有几十年的历史。据了解,在输电铁塔中已应用冷弯薄壁型钢的国家有意大利、美国、加拿大、英国、原苏联、墨西哥等。据国外资料统计,采用冷弯薄壁型钢比传统热轧角钢可节省钢材10%-18%。美国《输电铁塔设计导则》中有针对等肢卷边角钢和除角钢外其他型钢的承载力计算的描述,这说明美国土木工程师协会早已注意到冷弯型钢的构件在铁塔上的应用。但在国内,冷弯薄壁型钢在输电铁塔中的使用仍是空白。随着杆塔结构的大型化发展,组成铁塔的型材规格也越来越大,使得目前常用的低强度热轧型钢已难以满足使用要求,且热轧型钢规格有限,货源不充足。虽然通过采用组合截面和节点特殊处理可部分弥补型材的不足,但使得设计、加工的工作量和投资增大了许多,也使荷载传递方式复杂化,增加了不安全隐患。因此,在我国探求一种适合输电铁塔的新型钢形式已显得十分必要。 

2
、高强冷弯型钢的优势 
                 
      近年来,随着我国钢结构应用技术的发展,冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快,与传统轧制型材相比,冷弯薄壁型钢具有断面材料分布合理、回转半径大、抗弯和抗扭性能好等特点。它不是像热轧型钢以增加材料面积来提高其承载力,而是通过变化型钢断面形状达到提高承载力和节约钢材的目的。 
     经济的截面特性。铁塔中腹杆的工作状态大多是大长细比的压杆失稳,采用角钢等型材,截面特性无明显优势,且可选择的规格有限。冷弯型钢可根据构件受力特点选择合适截面形式,充分发挥其截面界面特性,使其更经济合理。 
     
随意的产品规格。一座10吨重的常规铁塔,要用到不同规格的角钢多达25种,要保证同时采购到规格品种如此众多、批量不大的型材难度可想而知。因此,铁塔加工经常出现塔材规格以大替小的代料,在铁塔加工企业中因塔材代料造成5%的浪费是很正常的,多的可达10%。而冷弯薄壁型钢的生产设备简单,一套冷轧机可生产多种规格的型钢,生产的批量、规格不受限制,这就为铁塔用材的供货来源提供了有力的保障。 
      可变的产品定尺。一座10吨重的铁塔通常由近2000根构件组成,铁塔各构件的长短不一。当前热轧型钢都是定尺产品,因此使用热轧型钢进行塔材下料时,经常出现材料余头,这种由于材料定尺造成的材料损耗多达5%。而冷弯钢产品可按用户需要提供各种尺寸的型钢,成材率高(99%),下脚余料少,可有效减少铁塔加工中的材料损耗。 
      多样的形状。冷弯薄壁型钢截面形状的多样性,可以避免采用90度角钢只能将铁塔设计成方形或矩形以及塔身变坡引起连接构件不共面的弊病,它为设计者设计新型、合理铁塔开创了灵活条件。如可建立三立柱铁塔,铁塔腹杆体系也可进行优化,可设计出更合理的铁塔腹杆布置,这为设计各种新型铁塔体系,进一步减轻铁塔重量、节约材料、减少构件数开创了新途径。 
      高强度的型材。对于铁塔采用的高强度材料型钢,若采用冷弯型钢产品,可有效避免热轧型钢供货批量限制和轧制工艺困难等缺陷。 
     
防腐问题。由于输电线路长期在野外运行,为保证铁塔安全,输电铁塔通常采用热镀锌防腐。冷弯薄壁型钢由于截面形状多变、型钢壁薄不太适宜热镀锌。目前,一些先进的防腐技术和工艺在不断地出现,如采用耐候材料和新镀层工艺,为冷弯薄璧型钢的防腐提供了良好的解决措施。 
     高强耐候钢的生产工艺已经日趋成熟,已广泛用于铁路系统。在输电铁塔上采用高强耐候冷弯型钢材料,与制造铁塔的传统生产方式相比,虽材质的一次性投资略高,但由于去掉了防腐工序,其经济效益和社会效益显著,经粗步测算,每吨成本可下降20%左右。 

      在上世纪80年代末期,有关科研单位就开始着手冷弯薄壁型钢用于输电铁塔的可行性研究,但由于当时冷弯型钢的价格较高和技术手段不够完善,加上早期的铁塔规模都较小,已有的热轧型钢完全就可满足使用要求,项目未能立项。近年来。随着我国钢结构应用技术的发展,冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快,这些经济型材用量在逐年增加,加工成本在降低,加上其自身截面的优良性能,经济效益更为显著。这为冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用提供了可能性。 
     使用冷弯薄壁型钢可有效地节约资源和能源。在输电铁塔上推广使用高强耐候冷弯型钢,不仅可减少铁塔耗钢,还能降低加工成本,避免环境污染。是一项有显著经济效益和环保意义的工作,所以应及时开展高强冷弯型钢,尤其是高强耐候冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用研究。 

3
、在输电铁塔中采用冷弯薄壁型钢应加强研究 
                 
     随着冷弯薄壁型钢在工业、民用建筑结构上的用途增加。设计理论日趋完善。目前,我国实施的是国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、上海市颁布的《轻钢结构设计规范》和中国工程建设标准化协会颁布的《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》,都为冷弯薄壁型钢的应用提供了设计依据。 
    目前,我国冷弯薄壁型钢在输电铁塔尚未应用,更没有相关的设计技术规定。铁塔结构的计算模型是空间桁架结构,构件的设计是按拉杆和压杆稳定计算,构件的边界条件情况对构件承载能力产生很大影响,同时线路施工现场决定铁塔组装不能使用大型机械,应采用易于现场施工的连接方式。输电铁塔受力和结构构造的特殊性决定了不可照搬轻钢结构的设计方法,要想使冷弯薄壁型钢在输电铁塔中广泛使用,还需要在以下几方面进行一些理论分析和试验研究工作: 

1.
确定输电铁塔上冷弯薄壁型钢构件承载力的计算方法和参数取值,包括在特定边界约束条件下受压构件稳定曲线的选取和使用、偏心构件承载力的计算方法、构件连接处强度和稳定的计算方法、风荷载在构件产生的荷载和振动响应的计算取值。

2.冷弯薄壁型钢塔形体系机构件断面优化分析。

3.确定合理的连接构造形式和杆件支撑形式。

4.较大厚度冷弯型钢的成形工艺。

5.冷弯型钢的防腐问题。

6.高强耐候冷弯型钢的力学性能和耐腐蚀指标。

 

 

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来源:沧州巨方压瓦机械销售有限公司

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