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国内铁塔用材现状

发布时间:2016-09-27

  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Q235和Q345两种为主,铁塔采用mg电子游戏开户/都来dz68防腐,使用年限约为50年。与发达国家相比,品种少,强度值偏低、可选择余地小。

  当杆塔荷载较大时,只能采用组合截面的方法来弥补材料强度低的不足,这必然导致铁塔杆件数量及规格增多,节点构造复杂,安装工作量增大,既造成了工程投资的增加和资源的浪费,也影响了行业在国际市场上的竞争力。随着更高电压等级的750kV、1000kV交流特高压、±800kV直流特高压输电线路的建设,以及大截面、多分裂导线的使用,杆塔设计荷载不断增大,这种由于铁塔用钢材强度过低所造成的影响表现得越来越突出。

  在输电线路杆塔材料方面,国际上有许多国家已经采用了比我国强度高得多的钢材。日本在1992至1999年相继建成四段同塔双回路共425 km的1 000 kV线路中,主材采用屈服强度392 MPa的钢管型钢,日本1 000 kV特高压线路铁塔主材在采用钢材屈服强度为392 MPa的钢管之后,现行规范又将钢材屈服强度提高到440 MPa,欧美国家大多采用屈服强度为450MPa的钢材。目前,欧美、日本等国家的高强钢基本用于500 kV及以上电压等级山东电力铁塔上,新建线路铁塔主材已全部采用高强度钢材。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。

  我国《钢结构设计规范》中的最高强度等级为420MPa(Q420钢材),《架空送电线路杆塔结构设计规定》中的最高强度等级只有390MPa(Q390钢材)。从各国的设计规范选材范围及工程实际应用情况来看,我国的高强钢使用水平均明显落后于国外一些发达国家。

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  2 铁塔应用高强度钢条件成熟

  2.1 高强度钢存在市场需求

  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山东电力铁塔的新型钢形式已显得十分必要。

  2.2 供货渠道畅通

  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,已经具备供货能力。通过调研,国内大多数钢铁公司在高强钢的生产上已完全具备相应的技术能力,目前生产的钢材强度可达到或超过Q420和Q460钢的强度等级。高强钢板材的生产厂家较多,已具备了一定的生产规模。对于Q420和Q460等级的高强度角钢,由于长期以来没有需求,且总用量也不大,因此,其生产一直没有形成规模,市场上没有现货,其规格和用量都需要预定生产,这也是在我国山东电力铁塔设计方面一直只使用Q235、Q345低等级钢材的原因。

  2.3 配套技术基本成熟

  在750kv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%。

  目前我国已经有了可以使用的高屈服点钢材Q390,Q420和Q460。在大负荷杆塔上使用高强钢可有效地降低塔重指标。云广直流输电线路作为世界上第一条±800kV等级的直流输电线路,采用高强钢对有效降低工程造价,对提高我国输电线路科技水平和竞争力有着重大意义。

  3 促进冷弯薄壁型钢的应用

  冷弯薄壁型钢的使用在国外已有几十年的历史。据了解,在山东电力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《山东电力铁塔设计导则》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。

  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、抗扭性能好、重量轻强度高、材料利用率高以及施工方便等特点。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。这里就以下三个方面阐述如下:

  3.1 高强度的型材。在室温下弯曲成型,截面弯角部分由于钢材的冷弯效应即强度提高、塑性下降,其强度高于平板部分。冷弯效应现象是由于塑性变形引起的应变硬化和应变时效形成的。一般情况下,如利用冷弯效应提高后的强度进行设计则可节省约10%~15%的钢材,如不计冷弯效应仍按原材料强度设计,则相当于提高了冷弯型钢的安全储备。

  3.2 允许发生局部屈曲。板件的稳定问题历来是建筑刚结构设计中的核心问题,普通碳素钢结构设计中通过板件宽厚比限值等方法限制板件出现局部屈曲。而冷弯型钢结构却允许发生局部屈曲,因为板件局部屈曲并不意味着板件的破坏。由于其存在薄膜效应,可以继续承受外荷载,这就是板件的超屈曲。超屈曲的利用扩大了冷弯型钢的使用范围。

  .3 防腐问题。由于输电线路长期在野外运行,为保证铁塔安全,烟台电力铁塔通常采用mg电子游戏开户/都来dz68防腐。冷弯薄壁型钢由于截面形状多变、型钢壁薄不太适宜mg电子游戏开户/都来dz68。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。

  冷弯薄壁型钢在国内已被建筑、交通、市政、工业和民用用品等行业广泛使用。但在国内,冷弯薄壁型钢在烟台电力铁塔中的使用仍是空白。在上世纪80年代末期,有关科研单位就开始着手冷弯山东薄壁型钢用于烟台电力铁塔的可行性研究,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烟台电力铁塔上的应用提供了可能性。

  电力铁塔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山东电力铁塔上的应用研究。

  4 结论

  在电力铁塔中应用高强钢是提高我国输电线路建设水平的一大突破。对特高压电网的建设具有重要意义,更为重要的是,高强钢的应用对全社会提高钢材的利用率、降低工程造价、提升加工安装工艺水平等具有积极的作用。同时也有利于社会的技术进步和节约型社会的建设,一旦高强钢材在输变电建设领域推广使用,将会推动我国钢材材质向高品质方向转化,带动我国钢材质量的不断提升,促进我国钢铁工业的技术进步。

  我国冷弯薄壁型钢在山东电力铁塔尚未应用,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。山东电力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山东电力铁塔中广泛使用,还需要进行一些理论分析和试验研究。

 

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