高强钢在输电线路铁塔材质选择上的应用

张文涛

（东北电力设计院，长春 130021）

随着我国电网建设的发展，电压等级不断提高，导线截面不断加大，输电线路铁塔受力大增、结构日趋复杂，原来输电线路铁塔常使用的Q235和Q345钢材材质已不适应目前高电压等级工程的需要。为使铁塔设计更趋经济合理，需探讨采用高强钢取而代之，以提高铁塔的承载力。

1 高强钢的承载力特性

过去我国运行的输电线路杆塔材料绝大部分采用的是Q235和Q345热轧角钢，近年来已建成的第一条750kV 电压等级线路、1 000kV 交流特高压试验示范工程及一些低电压等级的线路铁塔部分塔材采用了高强钢，但对采用哪类材质的高强钢，在什么条件下使用更合适，存在一些不清楚之处。本文根据以往设计经验，针对构件不同长细比，采用相同规格角钢，对不同材质高强钢与Q345钢的承载力特性进行比较。

a.当构件长细比小于40时，构件由强度控制。Q390角钢对Q345 角钢承载力提高11%～13%；Q420角钢对Q345 角钢承载力提高19%～22%；Q460角钢对Q345角钢承载力提高28%～33%。

b.当构件长细比在40～80之间时，构件由稳定控制。Q390角钢对Q345 角钢承载力提高5%～11%；Q420 角钢对Q345 角钢承载力提高8%～19%；Q460角钢对Q345 角钢承载力提高12%～28%。

c.当构件长细比大于80时，Q390角钢对Q345角钢承载力提高不到5%；Q420角钢对Q345角钢承载力提高不到8%；Q460角钢对Q345角钢承载力提高不到12%。

d.当构件长细比大于120 后，Q390、Q420、Q460与Q345角钢承载力基本相当。

上述比较可见，铁塔使用高强钢，除了在受压强度控制及受拉强度控制具有明显优势外，受压稳定控制时，构件长细比应控制在80以内，且越低其优势越大。

2 杆件稳定系数及稳定强度折减系数计算

2.1 稳定系数计算

计算铁塔角钢受压稳定时，稳定系数φ 直接采用DL／T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》的b类。

即当λ≤0.215时，φ＝1－α1λ2

式中：λ为杆件长细比；α1、α2、α3为系数，根据DL／T 5154—2012中表C.0.5－1的截面分类按表C.0.5－2采用。

2.2 稳定强度折减系数计算

根据DL／T 5145—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》，当角钢肢宽与肢厚之比大于一定值时，要对压杆稳定强度进行折减，对于高强钢折减系数为mN。高强钢规定的6.1.2－2公式中分子值要减小。

式中：b为角钢肢宽；t为角钢肢厚。

使用高强材料的角钢因宽厚比需要强度折减的规格比Q345的规格多，使得一些薄壁角钢构件承压设计时，在强度上要有一定的折减［1］。

我的另一位朋友老周，是一个摄影爱好者，他和我住在同一个小区。我每个周末都能看到他长枪短炮地去乡间摄影。有一天，我在本市的摄影展上看到了他的作品。令我惊讶的是，老周的作品没有一幅不是以稻草为主题的——夕阳下的草堆、雨中的草屋、牛嘴里的草。我发现在老周拍摄的照片下面，清一色地配有一首诗。

3 Q420钢材与Q460钢材性能对比

在GB／T 1591—2008《低合金高强度结构钢》中，Q420钢有A－E 5个级别，而Q460钢只有C－E 3个级别，同时规定Q460的D、E 级钢不供应型钢和钢棒，C级钢要求具有0冲击韧性的保证［2］，因此，现阶段使用Q420高强钢条件更充分。

Q460钢除了在少数输电线路试点应用外，在国内输电线路上应用较少，从设计计算角度看，现阶段Q460钢材质的计算理论没有困难，但在加工方面主要表现在工艺不成熟或不确定（如焊接质量的保证），材质本身的脆性以及采购规模小等弱点都限制Q460钢的广泛应用。在强度计算方面，由于Q420钢屈服点高出Q345钢近122%，而Q460钢屈服点高出Q420钢只有110%，又因为铁塔的常用角钢规格在面积上并不连续，所以强度控制时材料取代方面，Q460 钢取代Q420 钢时，材料规格降低没有Q420钢取代Q345 钢的效果明显。在稳定控制时更不明显，其结果在塔重对比可看出，当铁塔主要材料用Q420钢取代Q345钢时塔重可减轻8%以上，而用Q460钢取代Q420钢时塔重只减轻2%左右。虽然如此，采用更高屈服强度的高强钢是时代进步的需要，随着电压等级的加大，对于±800kV、1 000 kV 等特高压线路，铁塔载荷会成倍地增加，而杆件的截面也随之越来越大，因此对输电铁塔的结构设计、钢材强度也提出了更高的要求。为了使铁塔设计经济合理，钢材强度就必须大幅提高，且加工工艺也应严格有保证。

4 高强钢热加工存在的问题

通过对高强钢的调研、计算应用结果分析及以往线路工程应用高强钢情况的总结，发现使用高强钢的铁塔冷加工制造工艺与普通钢的铁塔并没有明显不同，全国各主要铁塔厂现有的生产设备和技术能力，在高强钢的切削、制孔、制弯等主要加工工序上，完全可以满足要求，但大多数铁塔制造厂在高强钢的焊接、层状撕裂、热变形及镀锌等热加工方面技术能力显得有些不足，加工工艺需进一步完善。

a.焊接问题。高强钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织，使焊缝区的硬度提高，塑性下降，导致焊后产生裂纹。冷却速度越快，裂纹趋向越严重，应力集中敏感性也越强。如果工艺不当，高强钢焊接结构的综合机械性能反而会低于普通钢，因此，为确保铁塔结构的焊接质量，需要对焊工进行专业培训和考核。

b.层状撕裂问题。层状撕裂是因为焊接收缩应力作用在钢板厚度方向时，以钢中非金属杂质为起点而产生与钢板轧制表面基本平行的裂纹。一般来讲层状撕裂与焊接接头有关，在T 型、角型或十字型接头的厚钢板多道焊接件中易发生层状撕裂；当板厚大于18mm 时，应特别注意焊接部位的层状撕裂问题。

c.热变形加工问题。Q420、Q460 高强钢材的热变形加工与低等级材料的加工要求有本质不同，主要是在热变形加工后的材质性能发生较大改变，如按照常规工艺加工，材料产生缺陷的几率将大幅度增加，这时必须采取附加的工艺措施以消除这些加工缺陷。

d.镀锌问题。热镀锌质量主要包括镀锌层厚度均匀性、表面质量和镀层冶金学方面（如合金相组成、形态）的控制等。在750kV 工程中镀锌方面就存在镀锌厚度不够和颜色不正的问题，这可能与Q420钢中一定含量的合金元素对钢结构构件热镀锌的影响有关，因此，分析不同合金元素对镀锌的影响以及根据不同成分的钢材采用不同的热镀锌工艺，需要进行更深一步研究探讨。

5 结论

a.输电线路铁塔采用Q420钢能够满足经济技术要求，目前优于Q390钢和Q460钢使用条件，应积极推广使用。

b.使用高强钢构件长细比应控制在80以内，且越低其优势越大；应尽量选用角钢肢宽与肢厚比较小的角钢。

c.Q390钢在受压稳定控制构件中其降低塔质量的空间不大，经济性在这几种材质中最差。

d.Q460钢由于生产、加工及材质本身限制，现阶段在输电线路中应用应多加探讨，慎重应用。

e.使用高强钢应防止变形发生，采取提高焊接、镀锌质量的相关措施。

［1］DL／T 5154—2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定［S］.

［2］GB／T 1591—2008，低合金高强度结构钢［S］.