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    輸電鐵塔型材用鋼現狀及優化措施

    輸電鐵塔型材用鋼現狀及優化措施
    1 輸電線路鐵塔用材現狀

      中國輸電線路鐵塔目前用材主要以熱軋角鋼型材為主,輔以少量鋼管,鋼材的品種以Q235和Q345兩種為主,鐵塔采用熱鍍鋅防腐,使用年限約為50年。與發達國家相比,品種少,強度值偏低、可選擇余地小。
      當桿塔荷載較大時,只能采用組合截面的方法來彌補材料強度低的不足,這必然導致鐵塔桿件數量及規格增多,節點構造復雜,安裝工作量增大,既造成了工程投資的增加和資源的浪費,也影響了行業在國際市場上的競爭力。隨著更高電壓等級的750kV、1000kV交流特高壓、±800kV直流特高壓輸電線路的建設,以及大截面、多分裂導線的使用,桿塔設計荷載不斷增大,這種由于鐵塔用鋼材強度過低所造成的影響表現得越來越突出。
      在輸電線路桿塔材料方面,國際上有許多國家已經采用了比中國強度高得多的鋼材。日本在1992至1999年相繼建成四段同塔雙回路共425km的1000kV線路,主材采用屈服強度392MPa的鋼管型鋼,日本1000kV特高壓線路鐵塔主材在采用鋼材屈服強度為392MPa的鋼管之后,現行規范又將鋼材屈服強度提高到440MPa;歐美國家大多采用屈服強度為450MPa的鋼材。目前,歐美、日本等國家的高強鋼基本用于500kV及以上電壓等級輸電線路鐵塔上,新建線路鐵塔主材已全部采用高強度鋼材。俄羅斯的《鋼結構設計規范》中所列鋼材的強度等級已達到578MPa。
      中國《鋼結構設計規范》中的最高強度等級為420MPa(Q420鋼材),《架空送電線路桿塔結構設計規定》中的最高強度等級只有390MPa(Q390鋼材)。從各國的設計規范選材范圍及工程實際應用情況來看,中國的高強鋼使用水平均明顯落后于國外一些發達國家。
      2 輸電線路鐵塔應用高強度鋼條件成熟
      2.1 高強度鋼存在市場需求
      隨著中國電力業的快速發展,大容量、長距離、高電壓的輸電線路越來越多,桿塔的荷載越來越大。同時由于中國土地資源緊缺以及環保要求提高,使得線路走廊、拆遷問題日趨嚴重,為縮小線路走廊、減少拆遷量、占地和基礎土方開挖量、多回路同塔并架和大坡度的鐵塔將越來越多地被采用。
      隨著桿塔結構的大型化發展,組成鐵塔的型材規格也越來越大,使得目前常用的低強度熱軋型鋼已難以滿足使用要求,且熱軋型鋼規格有限,貨源不充足。雖然通過采用組合截面和節點特殊處理可部分彌補型材的不足,但使得設計、加工的工作量和投資增大了許多,也使荷載傳遞方式復雜化,增加了不安全隱患。因此,在中國探求一種適合輸電鐵塔的新型鋼形式已顯得十分必要。
      2.2 供貨渠道暢通
      隨著中國冶金工業的不斷發展,高強度鋼材的生產已經不再是難事,中國的高強度結構用鋼的質量提高較快且日漸穩定,已經具備供貨能力。通過調研,國內大多數鋼鐵公司在高強鋼的生產上已完全具備相應的技術能力,目前生產的鋼材強度可達到或超過Q420和Q460鋼的強度等級。高強鋼板材的生產廠家較多,已具備了一定的生產規模。對于Q420和Q460等級的高強度角鋼,由于長期以來沒有需求,且總用量也不大,因此,其生產一直沒有形成規模,市場上沒有現貨,其規格和用量都需要預定生產,這也是在中國輸電線路鐵塔設計方面一直只使用Q235、Q345低等級鋼材的原因。
      2.3 配套技術基本成熟
      在750kv輸電線路的前期科研項目中,國家電力公司電力建設研究所已經對高強鋼使用將要遇到的節點連接構造、構件設計參數取值、配套螺栓以及經濟效益情況進行了研究:認為目前從技術和使用
      上,高強鋼已完全具備了在鐵塔中使用的條件,并且高強鋼的使用可降低鐵塔重量10%-20%。
      目前中國已經有了可以使用的高屈服點鋼材Q390,Q420和Q460。在大負荷桿塔上使用高強鋼可有效地降低塔重指標。云廣直流輸電線路作為世界上第一條±800kV等級的直流輸電線路,采用高強鋼對有效降低工程造價,提高中國輸電線路科技水平和競爭力有著重大意義。
      3 促進冷彎薄壁型鋼的應用
      冷彎薄壁型鋼的使用在國外已有幾十年的歷史。據了解,在輸電鐵塔中已應用冷彎薄壁型鋼的國家有意大利、美國、加拿大、英國、原蘇聯、墨西哥等。據國外資料統計,采用冷彎薄壁型鋼比傳統熱軋角鋼可節省鋼材10%-18%。美國《輸電鐵塔設計導則》中有針對等肢卷邊角鋼和除角鋼外其他型鋼的承載力計算的描述,這說明美國土木工程師協會早已注意到冷彎型鋼的構件在鐵塔上的應用。
      與傳統軋制型材相比,冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉半徑大、抗彎、抗扭性能好、重量輕強度高、材料利用率高以及施工方便等特點。它不是像熱軋型鋼以增加材料面積來提高其承載力,而是通過變化型鋼斷面形狀達到提高承載力和節約鋼材的目的。這里就三個方面闡述:
      (1)高強度的型材在室溫下彎曲成型,截面彎角部分由于鋼材的冷彎效應即強度提高、塑性下降,其強度高于平板部分。冷彎效應現象是由于塑性變形引起的應變硬化和應變時效形成的。一般情況下,如利用冷彎效應提高后的強度進行設計則可節省約10%-15%的鋼材,如不計冷彎效應仍按原材料強度設計,則相當于提高了冷彎型鋼的安全儲備。
      (2)允許發生局部屈曲。板件的穩定問題歷來是建筑剛結構設計中的核心問題,普通碳素鋼結構設計中通過板件寬厚比限值等方法限制板件出現局部屈曲。而冷彎型鋼結構卻允許發生局部屈曲,因為板件局部屈曲并不意味著板件的破壞。由于其存在薄膜效應,可以繼續承受外荷載,這就是板件的超屈曲。超屈曲的利用擴大了冷彎型鋼的使用范圍。
      (3)防腐問題。由于輸電線路長期在野外運行,為保證鐵塔安全,輸電鐵塔通常采用熱鍍鋅防腐。冷彎薄壁型鋼由于截面形狀多變、型鋼壁薄不太適宜熱鍍鋅。目前,一些先進的防腐技術和工藝在不斷地出現,如采用耐候材料和新鍍層工藝,為冷彎薄璧型鋼的防腐提供了良好的解決措施。
      冷彎薄壁型鋼在國內已被建筑、交通、市政、工業和民用用品等行業廣泛使用。但在國內,冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔中的使用仍是空白。在上世紀80年代末期,有關科研單位就開始著手冷彎薄壁型鋼用于輸電鐵塔的可行性研究,但由于當時冷彎型鋼的價格較高和技術手段不夠完善,加上早期的鐵塔規模都較小,已有的熱軋型鋼完全就可滿足使用要求,項目未能立項。近年來。隨著中國鋼結構應用技術的發展,冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快,這些經濟型材用量在逐年增加,加工成本在降低,加上其自身截面的優良性能,經濟效益更為顯著。這為冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應用提供了可能性。
      在輸電鐵塔上推廣使用高強耐候冷彎型鋼,不僅可減少鐵塔耗鋼,還能降低加工成本,避免環境污染。是一項有顯著經濟效益和環保意義的工作,所以應及時開展高強冷彎型鋼,尤其是高強耐候冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應用研究。

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