谈高强钢在输电铁塔中的应用

牛建荣 陈 涛

(太原供电设计研究院，山西太原 030001)

据相关资料统计，铁塔占本体投资的30%左右，如何利用新技术，新材料来降低杆塔指标，已经成为工程设计人员最为关心的问题。而采用高强钢可充分利用钢材强度的同时，还可有效避免组合截面的出现，简化了结构构造，减少了构件元素数量，使结构荷载传递方式更加合理，可有效提高铁塔结构的先进性、经济性和安全可靠度。

1 高强钢的设计应用

1)轴心受力强度计算。

铁塔构件的选取主要是取决于其受力状态，对于铁塔受力材料，其主要由轴心受力的强度及轴心受压稳定控制来确定。DL/T 5154-2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定对于轴心受力构件的强度计算公式如下:

其中，N为轴心拉力或压力设计值;m为构件强度折减系数;An为构件净截面面积;f为钢材的强度设计值。

上式中，An和m均与材料的强度等级无关，可以看出，对于轴心受力强度的控制构件，其选材主要是由材料本身的强度来决定，构件材料量与材料强度设计值成反比，强度越高其所用材料越少。与普通钢材相比，高强钢本身具有强度高的特点，表1列出各钢种的强度比值。

表1 强度等级钢材的强度承载力比值(厚度＜16 mm)

由表1可以看出，采用高强钢材，对由轴心受力强度控制的单根杆件，其强度和承载能力都有较大提高。因此，在杆塔设计中，由轴心受力强度控制的构件采用高强钢有明显的优势，如受拉的横担上平面主材、大荷载下受轴心受压的主材等，采用高强钢降低钢材指标效果明显。

2)轴心受压稳定计算。

铁塔结构大部分的杆件由受压稳定控制，如横担下平面主材、塔身主材、斜材等。DL/T 5154-2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定对于由轴心受压稳定控制的受力杆件，其计算公式如下:

其中，N为轴心受压稳定的压力设计值;φ为铁塔轴心受压构件稳定系数;A为构件毛截面面积;mN为压杆稳定强度折减系数;f为钢材的强度设计值。

稳定计算从公式形式看，虽然也像是针对个别截面，实际上它却是针对整个结构的。稳定计算公式中的φ和mN都与材料的强度等级有关。

3)角钢截面的选择。

对于结构构件受压稳定计算，不但要考虑压稳系数的影响，还要考虑强度折减系数mN，即考虑角钢翼缘失稳的影响，此系数与截面特性和强度有关，计算方法如下:

角钢构件:根据翼缘板自由外伸宽度b与厚度t之比计算确定:

其中，b为角钢翼缘板自由外伸宽度，mm;t为角钢肢厚、钢管壁厚，mm。

从上面公式可以得出，相同截面，构件强度越高，其折减系数越小。为了使高强钢能够尽可能地充分发挥其高强特性，在工程中不得已要采用一些角钢肢宽肢厚比较小的构件，以控制mN的折减。按照承载力提升10%以上来判断，Q420高强角钢可利用的角钢规格占高强钢规格范围的50%左右，角钢强度提高值最大到22%，可利用的角钢长细比范围达到了70。

4)螺栓的选用。

随着今后高强钢在输电线路上的大量采用，与高强钢相匹配的高强螺栓选型问题将成为设计者关心的问题。

就孔壁承压而言，当采用4.8级螺栓时无论对何种级别的角钢，均由螺杆控制;当采用6.8级螺栓时，对Q420级别的角钢，由螺杆控制;当采用8.8级螺栓时，无论对何种级别的角钢均由构件孔壁承压控制。由此可见，在采用高强钢时，对螺栓强度，除考虑螺栓抗剪切强度以外，还要考虑钢材的孔壁承压问题。当采用了高强钢构件，而仍使用较低级别螺栓时，要特别注意角钢或钢板对螺栓的螺杆承压验算。

2 根据塔型特点使用高强钢

如何在杆塔中使用高强钢直接关系到杆塔设计的好坏，通过对以往线路杆塔及对某220 kV典型塔型的试算分析，探索如何针对不同塔型结构的受力特点来最大限度地发挥高强钢的特性。

耐张转角塔的受力相比直线塔更大，因此在耐张塔中更容易发挥高强钢特性，以耐张转角塔2B6-JC3为例。

表2 Q420钢在干字形耐张塔中使用表

由表2数据分析:其主材内力达到850 kN，端部连接形式为单面连接，一端偏心的结构，采用Q345钢材，受压强度控制了选材，选材规格达到 L180×14，对于受压强度控制的杆件，采用Q420高强钢是比较合理的，主材规格由L180×14(Q345)下调为L160×14(Q420)。减少了钢材指标和结构挡风面积，对杆塔整体抗外负荷能力起到积极影响。

对同一塔型采用不同高强钢进行计算，各塔型的计算用量及节约情况见表3(Q345钢材单价:0.68万元/t;Q420钢材单价:0.73 万元/t)。

表3 采用Q420高强钢后杆塔用钢量的比较

通过计算，采用Q420高强钢后，小负荷塔可降低塔重5% ～8%左右，大负荷塔可降低塔重9%左右。

通过以上分析研究，根据杆塔受力特点和内力分配情况，在杆塔中局部采用Q420高强钢，配合传统Q345和Q235钢材使用，可以对杆塔起到优化的作用，一方面使结构受力更加合理，另外可以降低杆塔钢材指标。而且高强钢的使用优化了结构的构造，减少设计、运输、安装的工作量，从输电线路建设的综合造价上，可以有效节省工程投资，具有较好的经济效益。

3 结语

铁塔用高强钢，受压稳定控制时，构件长细比λ应控制在80以内，且越低其优势越大，主材长细比应控制在40左右才能充分利用高强钢强度高的优势;当构件长细比λ＞80时，构件由稳定控制，不宜采用高强钢选材。

在输电线路铁塔上推广使用高强钢是必要的和完全可行的。经过估算应用高强钢可以有效降低铁塔重量，较采用Q345钢，直线塔可以降低3%～6%，耐张塔可以降低6%～7%，其杆塔越大、负荷越大、使用高强钢越多降低就越多，经济性越好。合理运用高强钢，其用量可以占到全塔重量的35%左右。