1000kV双回特高压SZT2钢管塔局部屈服分析

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2011年4月

文献标志码：B

电力建设

ElectricPowerConstruction

文章编号：1000-7229（2011）04-0014-05

Vol.32，No.4Apr，2011

中图分类号：TM753

1000kV双回特高压SZT2钢管塔局部屈服分析

李茂华，朱斌荣，高渊

（中国电力科学研究院，北京市，100192）

AnalysisonLocalYieldingoftheSZT2SteelTubularTowerof1000kVDoubleCircuits

LIMaohua，ZHUBinrong，GAOYuan

（ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China）

ABSTRACT:Thelocalyieldingofthetowerlegnodeoccurring

inthefull-scaletestofthefirstSZT2tubulartowerforthe1000kVACdoublecircuitsisanalyzedandcheckingcalculationiscarriedoutaccordingtothenewly-publishedindustrialcodeQ/GDW391—2009.AFEAmodelisestablishedforthefailurenodesbythesoftwareANSYSandsimulationanalysisiscarriedout,whichindicatesthattheresultsoftheoreticalanalysisandFEAsimulationisingoodagreementwiththetestingresults.Intheend,severalalternativedesignschemesarecomparedforthenodesandtheoptimalmodelisanalyzedbyFEAandsomesuggestsareproposedtopreventlocalyielding.KEYWORDS:UHV；steeltubulartower；full-scaletest；local

yielding摘要：针对我国第1基1000kV交流特高压双回路钢管塔

（SZT2塔）真型试验中塔腿节点出现的局部屈服现象进行了分析，首先按最新编制的国家电网公司企业标准进行了验算；再采用ANSYS软件建立了破坏节点的有限元模型，并进行了仿真分析，得出理论验算和有限元模拟结果与试验现象相吻合；最后，对节点进行了多方案比较的优化设计，并采用有限元对优化模型进行了分析，由此提出连接板连接情况下节点防局部屈服的设计建议，供设计人员参考。关键词：特高压；钢管塔；真型试验；局部屈服

doi：10.3969/j.issn.1000-7229.2011.04.0030引言

我国输电线路钢管塔设计以往一贯的做法是采用相贯焊连接，相贯焊连接其焊接工作量和焊接难度都较大，另一方面相贯焊连接形式其法兰的用量较大，由此造成塔比较重[1]。基于上述原因，钢管塔相贯焊连接虽然有较好的承载性能，但在铁塔设计中还是未得到大面积的应用，只在受力较大的大跨越塔以基金资助项目：国家电网公司科技项目（SGSC[2005]124）。

及500kV同塔四回路线路中有所应用[2]，这一结果也使得铁塔加工企业目前的加工能力和产能都较低下。随着特高压电网的建设，杆塔荷载和重量越来越大，实际需求和现实产能的矛盾表现得越来越突出，尤其是在1000kV淮南—上海（皖电东送）特高压双回输电线路工程中，由于杆塔受力较大，应用普通角钢即使采用四拼截面也难以满足承载力的要求[3]，因此采用受力较优的钢管结构成了一个必然的选择，为了降低加工难度和便于标准化设计和加工，参考日本在钢管塔设计方面的经验，采用节点板连接代替普遍使用的相贯焊连接是本设计一个重要的改进。SZT2试验塔是国内第1基1000kV特高压双回路输电线路真型试验塔，也是皖电东送输电线路工程中用量最多的一种塔型，在我国第1次大量采用了连接板连接的节点设计，根据规定需要进行真型试验[4]。钢管塔采用连接板连接时，钢管局部屈服的问题是设计中重点关心的问题，在SZT2钢管塔的真型试验中正好也出现了局部屈服的现象[5]，本文对SZT2钢管塔真型试验的局部屈服节点进行理论分析，并采用通用有限元分析软件ANSYS对该节点进行了有限元分析，同时进行了多方案节点优化设计，由此提出了对今后钢管塔采用插板连接情况下进行防屈曲节点设计的建议，供设计人员参考。1SZT2塔真型试验及局部屈服情况

我国第1基特高压双回输电线路SZT2试验塔设计条件为：设计风速32m/s，水平档距480m，垂直档距380~600m，导线覆冰10mm，地线覆冰15mm，导/地线分别按照20和25mm验算冰。塔高93.4m，质量132t，整塔采用钢管结构，仅在横担的斜材和辅助材以及地线顶架采用角钢构件。SZT2钢管塔于2008年12月10—14日完成了真型试验，试验塔照片见图第4期李茂华等：1000kV双回特高压SZT2钢管塔局部屈服分析·15·

1，试验共选取了46个设计工况中的9个主要控制工况进行真型试验，见表1。图1SZT2SZT2真型试验塔照片

Fig.1Fig.1ThephotoofSZT2SZT2full-scaletowertest

1

试验工况及控制部件

Tab.1Tab.1Thetestingconditionandcontrollingparts

序号工况名

序号工况名

1断右地线、断右上导线2断右上导线、右中导线3断右中导线、右下导线4断左、右两相中导线5地线已锚、锚右上导线6全锚7验算冰

8

90º大风

9

60º大风（超载试验）

试验顺利完成了9个工况的荷载测试，其中60°大风工况超载到110%设计荷载，试验完成后，发现东南腿塔腿主材处发生了局部屈服的情况，见图2，屈服现象为半环形加强板上部100mm处主材钢管凸出，凸出量约10m，主材钢管规格为φ660mm×12mm，主管变形率约为1.5%。图2

东南塔腿主材局部屈服

Fig.2Fig.2

Localyieldingofthesoutheastlegmember

2节点承载力验算

试验完成后，对该塔腿节点进行了实际尺寸的测量，见图3括号内尺寸。节点的设计力值以及真型试验中实测力值见表2。目前我国国标体系中尚没有对于连接板连接情况下局部屈服验算方法[6]，国家电网公司新制定的企业标准Q/GDW391—2009《输电线路钢管塔构造设计规定》[7]中给出了插板连接节点承载力验算方法。Q345-12

Q345-10⑦②⑥Q235φQ235-8（7.99）①194⑤Q3×15145φ66Q345-16（15.8）0×1③2233°2⑨Q345-16

Q345-8（5.）④30220⑧Q345-28③④00150250（59.1）60

1-1

2-2

图3节点结构布置图

Fig.3Fig.3Structurallayoutofnodes2

60°60°大风工况作用下杆件荷载

Tab.2Tab.2Theloadofmemberunder6060°°windcase

60°大风工况设计力值/kN试验力值/kN主管支管主管支管100%荷载值-73.82-25.35-5849.69-59.29110%荷载值

-7704.96

-30.41

-7361.99

-103.91

对于该节点由于主材正面斜材与侧面共用1/2环形加强板，变形处可按1/4加强板的情况验算该处的局部变形情况，验算结果见表3。表3局部承载力验算结果

Tab.3Tab.3Thecheckingresultsoflocalbearingcapacity

荷载类别作用力/kN承载力/kN主管环形加强板

主管环形加强板100%设计力值13.816.90460.6332.11100%试验力值32.2916.1.0931.66110%设计力值————110%试验力值

56.59

28.30

67.04

4.67

从验算结果来看，在荷载加载到100%时按试验实测荷载验算及设计荷载值验算均不会发生局部屈服；当荷载超载到110%时，按试验实测荷载验算，1/4环形加强板不满足承载力要求；按设计荷载力值主管的承载力超过了设计强度，从径厚比限值分析来看，目前为防止圆管截面构件局部屈曲，各国主要钢结构设计规范和标准中根据构件是否满足塑性设计将截面分为3类，对不同类型设定不同的径厚比限值[8]。本试验主管径厚比为55，满足欧盟钢结构规范Eurocode3第2类截面的要求[9]，即能承担一定的塑性弯距，其塑性转动能力有限，这与试验现象吻合。·16·

电力建设

第32卷

3SZT2塔有限元分析

分别按该节点的设计力值、试验实测力值进行有限元分析，采用壳单元模拟钢管及钢板[10]，建立的有限元模型见图4。图5、图6分别为100%和110%设计荷载作用下主管的应力云图，图7、图8分别为100%和110%设计荷载作用下环形加强板的应力云图。图4有限元分析模型

Fig.4Fig.4Thefiniteelementmodel

5100%100%设计荷载作用下主管应力云图

Fig.5Fig.5Thestressnephogramofthemainlegmemberunder

100%100%designload

6110%110%设计荷载作用下主管应力云图

Fig.6Fig.6Thestressnephogramofthemainlegmemberunder

110%110%designload

从以上有限元分析情况来看，在节点板与主管的连接上部区域应力集中较为严重，环形加强板也有应力集中现象。主管材料强度为345MPa，环形加强板材料强度为235MPa，按设计力值和试验实测力值的100%荷载计算，节点板与主管的连接上部区域最大应7

100%100%设计荷载作用下环形加强板应力云图

Fig.7Fig.7Thestressnephogramoftheannularplateunder

100%100%designload

8110110%%设计荷载作用下环形加强板应力云图Fig.8Fig.8Thestressnephogramoftheannularplateunder

110%110%designload

力接近屈服强度；按各110%荷载计算，设计力值和试验实测力值情况下，节点的环形加强板以及节点板与主管连接的上部较大区域范围已进入屈服阶段，这与试验中在上部区域发现较大残余变形的现象相吻合。4节点优化设计

4.1环形加强板增高将SZT2试验塔中发生局部屈服的节点处1/4环形加强板高度由60mm分别增加到80、100、120mm，按100%设计力值进行计算，将各种情况下模型的局部应力云图见图9—11，60mm时环形板的应力见图7。9环形板高度为80mm时局部应力云图Fig.9Fig.9Thestressnephogramoftheannularplatewith

aheightof80mm

第4期李茂华等：1000kV双回特高压SZT2钢管塔局部屈服分析·17·

10环形板高度为100mm时局部应力云图Fig.10Fig.10Thestressnephogramoftheannularplatewith

aheightof100mm

图11环形板高度为120mm时局部应力云图

Fig.11Fig.11Thestressnephogramoftheannularplatewith

aheightof120mm

从环形加强板的应力云图可以看出，环形加强板高度增加可以改善加强板的应力集中现象，说明环形板环向高度对节点承载力有利，但是对主管本身的应力集中现象改善不明显。4.2增加1个环形加强板在原模型现有环形加强板以上100mm位置增加1个1/4环形加强板，规格相同，按100%设计力值进行计算，各局部应力云图见图12—13。12主管应力云图

Fig.12Fig.12Thestressnephogramofthemainlegmember

在增加1个1/4环形加强板的情况下，可以增加主管局部刚度，使得主管的应力分布有所改善，环形加强板自身的应力分布也得到一定程度的改善。4.3延长节点板长度将现有节点板长度分别向上延伸200、400mm13原环形加劲板应力云图

Fig.13Fig.13Thestressnephogramoftheoriginalannularplate

与上部法兰相连，按100%设计力值进行计算，各局部应力云图见图14—18。图14

节点板延伸200mm时主管应力云图

Fig.14Fig.14Thestressnephogramofthemainlegmemberwith

theconnectingplateextendingby200mm

15节点板延伸400mm时主管应力云图

Fig.15Fig.15Thestressnephogramofthemainlegmemberwith

theconnectingplateextendingby400mm

16节点板延伸至法兰时主管应力云图

Fig.16Fig.16Thestressnephogramofthemainlegmemberwith

theconnectingplateextendingtoflange

、·18·

电力17节点板延伸200mm时环形板应力云图

Fig.17Fig.17Thestressnephogramoftheannularplatewith

theconnectingplateextendingby200mm

18节点板延伸400mm时环形板应力云图

Fig.18Fig.18Thestressnephogramoftheannularplatewith

theconnectingplateextendingby400mm

从各情况的应力云图可以看出，将现有节点板长度向上伸长可以改变环形加强板的应力分布，主管的应力集中位置随之上移，当应力集中位置上移至法兰刚度影响范围内时，此种做法对主管局部屈服是有利的。5结论

对1000kV特高压双回输电线路SZT2钢管塔真型试验中出现局部屈服的东南腿塔腿节点，分别按设计力值和试验力值进行了有限元节点的局部屈服分析。分析结果表明：在节点板与主管的连接上部区域应力集中较为严重，环形加强板也有应力集中现象。有限元分析结果与试验中在上部区域发现较大残余变形的现象一致，说明有限元分析结果可信。根据试验实测的节点尺寸，按照Q/GDW391—2009《输电线路钢管塔构造设计规定》对该节点进行建设

第32卷

了局部屈服承载力验算，验算结果与试验结果吻合，建议在特高压钢管塔的研究中，适当减小钢管的径厚比限值。对SZT2塔塔腿节点的优化结果表明：增加环形加强板的环向高度R可以显著改善环形加强板的应力分布；增加1层环形加强板可以改善主管的应力分布情况；延长连接板长度可以转移钢管的应力集中位置，设计者可以根据实际情况控制应力集中位置出现在较为合适的位置，需要时可以延长至上端法兰位置。6参考文献

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[10]潘汉明，郭彦林，梁硕.大直径薄壁钢管压弯构件的稳定分析[J].

土木工程学报，2007，40（3）：11-17.收稿日期：2011-01-18修回日期：2011-02-24

作者简介：

李茂华（1978），女，工程师，在读博士研究生，从事线路结构设计及研究工作，E-mail：limaohua@epri.sgcc.com.cn；

朱斌荣（1985），女，助理工程师，硕士研究生，从事线路结构设计及研究工作；

高渊（1982），男，助理工程师，硕士研究生，从事线路结构设计及研究工作。

（见习编辑：沈雷）