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多年来，我国输电铁塔钢材以Q235、Q345热轧角钢和钢管为主，近年来Q420和Q460逐渐开始应用。但与先进国家相比，我国输电铁塔材质单一、强度值偏低，致使塔重偏大、经济效益和社会效益偏低[1]。随着电力需求的不断增长，社会的日益发展，输电线路向高电压、大容量、多回路发展，电力走廊也日趋狭窄，导致塔型变大，承受荷载也越来越大，对输电塔的新材料、新工艺的推广和应用越来越迫在眉睫[2,3]。使用Q460高强钢不但可以减轻塔重、减少加工和施工难度、降低造价、节约能源、利于环保，而且还可以提高我国杆塔结构设计水平、加工水平和在国际市场上的竞争力[4]。
汕头500千伏海门电厂扩建3-4号机组送出工程，长约38.5 km。设计风速为37 m/s和39 m/s，导线为4×JL/LB1A-630/45。工程设计风速高、导线截面大，且含有较长公里数的500/220 kV混压四回，因此采用Q460高强钢管能有效减轻塔重，减少工程投资。
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国外的钢材标准与我国大体相同，但对于Q390～Q460强度级别的高强度钢材，国外发达国家的应用已经非常普遍。日本在20世纪90年代相继建成的1 000 kV双回路线路中，主材采用SS55或STK55钢管(屈服强度415 MPa)，《日本架空送电规程》(JEAC 6001—2000)又将钢材屈服强度提高到520 MPa(JS690S钢)；欧美国家大多采用A36、G50、GR65(屈服强度为450 MPa)，《美国输电铁塔设计导则》的钢材强度已达到686 MPa。
我国现行规范，如《铁塔用热轧角钢》[5]、《低合金高强度结构钢》[6]，都明确规定了Q420、Q460牌号钢板/型钢/角钢的化学成分和力学性能。《钢结构设计规范》(2012征求意见稿)中也增列了Q460钢种。这些规程规范都为高强钢的制造和工程应用提供了依据。目前Q420钢已经普遍应用于输电杆塔中，国内许多塔厂也有了一定的加工经验。Q460钢材也在国内的少量工程中得到试点应用，如500 kV平顶山至洛阳南输电线路工程，首次应用了Q460高强角钢[1]；500 kV练塘至泗泾紧缩型双回路首次采用了Q460高强钢管塔[4]。
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GB/T 1591和YB/T 4163给出的Q345、Q420、Q460钢材的力学性能如表1和表2所示。
表 1 《铁塔用热轧角钢》(YB/T 4163)规定的角钢类别和性能
Table 1.
The type and performance of the angle steel specified in “YB/T 4163” 牌号 质量等级 屈服强度/(N/mm2) 抗拉强度/(N/mm2) 断后伸长率 冲击试验(V型缺口)AKV，J 180°弯曲试验d＝弯曲直径/mm a＝试样厚度/mm ≦16 mm ＋20 ℃ 0 ℃ -20 ℃ -40 ℃ 厚度/mm 不小于 不小于 ≦16 mm >16～35 Q345T A 345 325 470～630 21 d＝2a d＝3a B 21 34 C 22 34 D 22 34 Q420T A 420 400 520～680 18 d＝2a d＝3a B 18 34 C 19 34 D 19 34 E 19 27 Q460T A 460 440 550～720 17 d＝2a d＝3a B 17 34 C 17 34 D 17 34 E 17 27 表 2 《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591)规定的钢板、型钢的类别和性能
Table 2.
The type and performance of steel plate, section steel specified in “GB/T 1591” 牌号 质量等级 屈服强度/(N/mm2) 抗拉强度/(N/mm2) 断后伸长率 冲击试验(V型缺口)AKV，J(12～150 mm) 180°弯曲试验d＝弯曲直径/mm a＝试样厚度/mm ≦16 mm >16～40 mm ＋20 ℃ 0 ℃ -20 ℃ -40 ℃ 厚度/mm 不小于 ≦40 mm ≦40 mm 不小于 ≦16 >16～100 Q345 A 345 335 470～630 2a 3a B 20 34 C 34 D 21 34 E 34 Q420 A 420 400 520～680 2a 3a B 34 C 19 34 D 34 E 34 Q460 C 460 440 550～720 34 2a 3a D 17 34 E 34 -
根据《110～750架空输电线路设计规范》和《钢结构设计规范》(2012版，征求意见稿)，给出钢材和螺栓的强度设计值如表3和表4所示。
表 3 钢材的强度设计值
Table 3.
Strength design value of steel N/mm2 牌号 厚度或直径 抗拉、抗压和抗弯 抗剪 Q345 ≤16 mm 310 180 >16～40 mm 295 170 Q420 ≤16 mm 380 220 >16～40 mm 360 210 Q460 ≤16 mm 410 235 >16～40 mm 390 225 表 4 螺栓连接的强度设计值
Table 4.
The strength design value of bolted N/mm2 类别 材料 抗拉 抗剪 镀锌粗制螺栓(C级) 4.8 200 170 6.8 300 240 8.8 400 300 10.9 500 380 -
以双回路直线塔和四回路混压耐张塔为例，对主材采用Q345和Q460材质进行技术方案比较。
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表 5 5F2W8-ZGV2设计输入条件
Table 5.
The design conditions for 5F2W8-ZGV2 塔型 5F2W8-ZGV2-48 导线 4×JL/G1A-630/45 地线 LBGJ-150-40AC 设计风速/(m·s-1) 37(10 m高) 水平档距/m 509 垂直档距/m 750 
图 1 5F2W8-ZGV2塔头单线图
Figure 1. Single line chart of ZGV2
图 2 JS5732塔头单线图
Figure 2. Single line chart of JS5732
对主材采用Q345和Q460进行计算比较，如表6所示。可以看出：
表 6 48 m呼高Q345、Q460材质计算结果对比表
Table 6.
Comparison of the results of Q345 and Q460 for 48 m 材质 Q345 Q460 塔腿主材管径×壁厚/mm ∅457×10 ∅356×10 法兰盘直径/mm 820 640 利用率/% 99 95 计算重/t 50.3 46.2 根开/m 15.04 15.04 长期挠度/mm 35.6，0.5‰ 37.2，0.5‰ 最大挠度/mm 709.2，9.3‰ 739.3，9.7‰ 1)采用Q345或Q460，塔身刚度都较好，杆身的长期挠度和最大挠度均很小，在规范要求限值以内。
2)主管的最大直径和法兰盘直径较加工限值小很多。
3)采用Q460钢材，塔重较Q345有明显的降低，大约少8.8%。
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表 7 JS5732设计输入条件
Table 7.
The design conditions for JS5732 塔型 JS5732 导线 4×JL/G2A-720/50/4×JL/G1A-300/40 地线 LBGJ-150-40AC 设计风速/(m·s-1) 37(10 m高) 转角度数/(°) 30～60 水平档距/m 250/150 垂直档距/m ±450/±250 对主材采用Q345和Q460进行计算比较，如表8所示。可以看出：
表 8 30 m呼高Q345、Q460材质计算结果对比表
Table 8.
Comparison of the results of Q345 and Q460 for 30 m 牌号 Q345 Q460 塔腿主材管径×壁厚/mm ∅914×18 ∅762×16 法兰盘直径/mm 1 500 1 250 利用率/% 100% 98% 计算重/t 130.0 112.4 根开/m 14.75 14.75 长期挠度/mm 44.2，0.6‰ 46.7，0.6‰ 最大挠度/mm 883.8，11.1‰ 935.9，11.8‰ 1)采用Q345或Q460，塔身刚度都较好，杆身的长期挠度和最大挠度均很小，在规范要求限值以内。
2)主管的最大直径和法兰盘直径较加工限值小很多。
3)采用Q460钢材，塔重较Q345有明显的降低，大约少15.6%。
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双回路和四回路杆塔采用钢管塔方案(塔身采用钢管、横担采用角钢)。角钢采用Q235B、Q345B、Q420B三种钢材，钢管采用Q235B、Q345B、Q460C三种钢材。
地脚螺栓采用42CrMo合金结构钢。
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1)杆塔按全方位长短腿计算，正面满足30°地形要求。
2)塔腿主斜材夹角不宜小于23°，斜材与水平面夹角不宜小于25°。
3)塔腿辅助材采用合理的布置方式，增强对主斜材的支撑作用；塔腿斜材刚度应与主材匹配。
4)塔身斜材与水平面的夹角取30°～45°为宜，不得大于50°。
5)导线横担主材夹角不宜小于18°，耐张塔地线横担主材夹角不宜小于15°。
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1)主材的长径比小于12、斜材夹角小于24°时，应结合所在的部位、约束情况、长细比(长径比)、径厚比以及应力利用情况，综合考虑钢管端部弯矩的不利影响。
2)钢管按照“同一规格采用同一材质”的原则应用。当受力材(钢管)之间的夹角<25°时，支撑该受力材的辅助材的承载力应适当提高或通过试验确定。
3)铁塔的斜材设计应按不同的塔型布置，参照DL/T 5154—2012的要求，计算埃菲尔效应。
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1)结合本工程荷载大的特点，大直径钢管主材比例较高。根据测算结果和市场采购特点，建议管径300 mm以上时采用Q460高强钢，钢板卷制。
2)针对Q460钢管焊接质量较难把控及切割打孔较难的特点[7]，建议Q460钢管主材节点法兰仍采用Q345钢。由此法兰板及法兰肋板与Q460主管焊接仍采用Q345钢对应焊接要求，大大降低焊接工艺难度。Q460高强焊缝仅为卷管焊接焊缝，采用卷管自动焊机焊接，焊接质量有较高保证，卷管焊缝为非主受力焊缝，焊接质量对构件承载能力影响较小。同时由于法兰强度与材料强度的1/2次方成正比，材料强度提升对法兰强度提升影响较小。因此采用Q345法兰较Q460法兰不仅焊接质量有较高保证，且经济效益也无明显降低。
3)Q460主材钢管径厚比控制在45以下以降低局部稳定对钢管承载力的影响。
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由于Q460高强钢管塔的设计、运行经验很少，因此除了在设计上采用先进的理论和软件计算外，还应进行试验验证，以检验其在各种主要荷载工况下受力杆件理论计算值和实际受力值的符合性，验证塔型设计方案的合理性以及塔型结构、节点构造和连接法兰的安全可靠性。为此，于2016年4月18日至—20日在中国电力科学研究院良乡试验基地，对5F2W8-ZGV2-35钢管塔行了真型试验。
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试验塔的设计执行DL/T 5154—2012和DL/T 5254—2010，并参考了类似工程的设计、施工和运行经验。计算软件为“自立式铁塔内力分析软件”(TTA)和自编的一些计算程序。设计条件如表9所示。
表 9 试验塔设计输入条件
Table 9.
The design conditions for Test tower 塔型 5F2W8-ZGV2-35 导线 4×JL/G1A-630/45 地线 LBGJ-150-40AC 设计风速/(m·s-1) 37(10m高) 覆冰/mm 0 水平档距/m 572 垂直档距/m 750 腿部主材规格/mm ϕ356×10 全高/m 66.4 铁塔重量/t 55.0 试验塔单线图如图3所示。
图 3 5F2W8-ZGV2-35试验塔单线图
Figure 3. single line diagram of Test tower ZGV2-35
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试验塔设计工况共63个，选取了7个控制工况进行试验[8]，如表10所示。其中工况1-6的加荷级别为：0-50%-75%-90%-95%-100%-0；工况7的加荷级别为：0-50%-75%-90%-95%-100%-105%- 110%-115%-120%-0。
表 10 试验工况表
Table 10.
The test conditions 工况号 工况名 试验目的 1 同时断右地线和右上导线 地线横担的承载力和变形情况 2 同时断右上、中导线 检验铁塔在事故工况下的承载力和变形情况 3 起吊右下导线、其它导线均已装(地线已装) 导线横担的承载力和变形情况 4 锚右下导线、其它导线均已锚 检验铁塔在安装工况下的承载力和变形状况 5 90°大风计算 90°大风的承载力状况和变形情况 6 0°大风计算 0°大风的承载力状况和变形情况 7 60°大风计算(超载) 60°大风的承载力状况和变形情况 -
试验塔的变形测点和应变布置如图4和图5所示。位移测点共12个，以1、2、…、12编号；应变测点共20个，每个测点贴应变片3～4个不等，共计70个。
图 4 位移观测点布置图
Figure 4. Displacement observation point layout
图 5 应变测点布置图
Figure 5. Strain observation point layout
试验顺利通过表10中7个工况的测试，试验现场加载情况如图6所示，其中60°的大风超载120%。试验表明，该试验塔的强度和刚度均符合设计要求，并有一定的安全储备。
图 6 加载中的试验塔
Figure 6. Test tower in loading
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通过对试验数据和现场情况分析，得到以下结论和建议，供工程设计参考：
1)使用Q460高强钢材，能够满足输电线路钢管塔的设计要求，同时可降低单基塔重，建议在大风区、大导线、多回路输电线路工程中应用。
2)大风工况下的最大挠度试验值为733 mm，9.7‰。与理论计算值相差无几，说明钢管塔所采用法兰连接等构造方式有较好刚度。
3)试验超载致120%，杆底主管并无明显的屈服破坏。说明设计是安全可靠的，并有一定的裕度。
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对于本工程而言，双回路和四回路塔，较大直径钢管的比例和规格都较多，采用Q460高强钢管后，塔重降低的绝对值和相对比例都较大。
根据测算结果，对本工程双回路塔，采用Q460后，较Q345减少塔重约7%～10%；四回路塔，减少塔重约10%～15%。本工程共有83基采用Q460高强钢，塔重共计12 748 t。按平均减轻塔重12.4%计算，本工程节约钢材共1 804 t。按综合单价Q345钢材9 800元/ t、Q460钢材10 200元/ t来计算，采用Q460钢材，可以节省铁塔投资约1 258万，经济效益明显。
除节省钢材外，也有效降低了铁塔材料规格及其相应挡风面积，从而降低基础作用力与基础造价。依据测算，应用Q460高强钢管，能降低基础工程量约3.1%，节省基础工程造价约300万元。
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据调查，每炼1 t钢材需要燃烧标准煤约0.65 t，每燃烧1 t标准煤，产生CO2约2.62 t，SO2约8.5 kg，氮氧化物约7.4 kg。
本工程共减少钢材约1 804 t，相应减少标准煤燃量1 173 t，减排CO2约4 276 t、SO2约15 t，氮氧化物13 t。同时可降低基础材料水泥用量约300 t，减少砂石用量约1 500 t，节能减排与环保效益显著。
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1)国内关于Q460高强钢管塔的应用还很少，缺乏设计、加工、运行经验。
2)高风速、大导线、多回路条件下，采用Q460高强钢管，较Q345能减轻塔重约7%～15%。且塔身刚度较好，杆身的长期挠度和最大挠度均很小，满足规范要求。
3)根据目前材料的市场供应、质量和价格，对于钢管组合塔，主材管径大于300 mm规格时，建议采用Q460C级材料。其中法兰仍然采用Q345钢材。
4)试验塔在7个控制工况下，实测的位移和应变值与理论值符合的较好，证明设计推导符合杆塔实际受力。试验超载致120%，主管并无明显的屈服破坏，钢管塔各部件未见异常，说明设计是安全可靠的。
5)本工程采用Q460高强钢管，具有明显的经济效益和社会效益。
Application Research on Q460 High-strength Steel Tube in Transmission Line Project
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摘要:
随着电力走廊日益狭窄，导致塔型向多回路、大荷载发展，高强钢的应用迫在眉睫。本文依托某500 kV工程，针对高风速、多回路等条件，从国内外应用、材质、结构布置、真型试验、工程措施等多方面，进行塔型分析比较。结果表明：采用Q460高强钢管，能有效减轻塔重；塔身刚度好、挠度小；试验塔强度和构造措施均符合设计要求，并有一定的安全储备。因此，在大荷载条件下，应用Q460高强钢管具有明显的经济效益和社会效益。 Abstract:With the increasingly narrow power corridor, the tower type is developing to multi-loop and high load, and the application of high strength steel is imminent. Based on a 500 kV project, aimed at high wind speed, multi loop conditions, this paper analyzed and compared the tower type in many aspects, such as the domestic and foreign application type, material, structure arrangement, full-scale test, engineering measures. The results show that the weight of the steel tube can be reduced effectively by using Q460. The stiffness of the tower is good and the deflection is small. The test tower strength and construction measure meet the design requirements, and have certain safety reserves. Therefore, under the large load conditions, the application of Q460 high strength steel tube has obvious economic and social benefits. -
Key words:
- Q460 high-strength steel tube /
- deflection /
- flange /
- full-scale test.
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表 1 《铁塔用热轧角钢》(YB/T 4163)规定的角钢类别和性能
Tab. 1.
The type and performance of the angle steel specified in “YB/T 4163” 牌号 质量等级 屈服强度/(N/mm2) 抗拉强度/(N/mm2) 断后伸长率 冲击试验(V型缺口)AKV，J 180°弯曲试验d＝弯曲直径/mm a＝试样厚度/mm ≦16 mm ＋20 ℃ 0 ℃ -20 ℃ -40 ℃ 厚度/mm 不小于 不小于 ≦16 mm >16～35 Q345T A 345 325 470～630 21 d＝2a d＝3a B 21 34 C 22 34 D 22 34 Q420T A 420 400 520～680 18 d＝2a d＝3a B 18 34 C 19 34 D 19 34 E 19 27 Q460T A 460 440 550～720 17 d＝2a d＝3a B 17 34 C 17 34 D 17 34 E 17 27 
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表 2 《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591)规定的钢板、型钢的类别和性能
Tab. 2.
The type and performance of steel plate, section steel specified in “GB/T 1591” 牌号 质量等级 屈服强度/(N/mm2) 抗拉强度/(N/mm2) 断后伸长率 冲击试验(V型缺口)AKV，J(12～150 mm) 180°弯曲试验d＝弯曲直径/mm a＝试样厚度/mm ≦16 mm >16～40 mm ＋20 ℃ 0 ℃ -20 ℃ -40 ℃ 厚度/mm 不小于 ≦40 mm ≦40 mm 不小于 ≦16 >16～100 Q345 A 345 335 470～630 2a 3a B 20 34 C 34 D 21 34 E 34 Q420 A 420 400 520～680 2a 3a B 34 C 19 34 D 34 E 34 Q460 C 460 440 550～720 34 2a 3a D 17 34 E 34
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表 3 钢材的强度设计值
Tab. 3.
Strength design value of steel N/mm2 牌号 厚度或直径 抗拉、抗压和抗弯 抗剪 Q345 ≤16 mm 310 180 >16～40 mm 295 170 Q420 ≤16 mm 380 220 >16～40 mm 360 210 Q460 ≤16 mm 410 235 >16～40 mm 390 225
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表 4 螺栓连接的强度设计值
Tab. 4.
The strength design value of bolted N/mm2 类别 材料 抗拉 抗剪 镀锌粗制螺栓(C级) 4.8 200 170 6.8 300 240 8.8 400 300 10.9 500 380 注：标称直径≤39 mm。
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表 5 5F2W8-ZGV2设计输入条件
Tab. 5.
The design conditions for 5F2W8-ZGV2 塔型 5F2W8-ZGV2-48 导线 4×JL/G1A-630/45 地线 LBGJ-150-40AC 设计风速/(m·s-1) 37(10 m高) 水平档距/m 509 垂直档距/m 750
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表 6 48 m呼高Q345、Q460材质计算结果对比表
Tab. 6.
Comparison of the results of Q345 and Q460 for 48 m 材质 Q345 Q460 塔腿主材管径×壁厚/mm ∅457×10 ∅356×10 法兰盘直径/mm 820 640 利用率/% 99 95 计算重/t 50.3 46.2 根开/m 15.04 15.04 长期挠度/mm 35.6，0.5‰ 37.2，0.5‰ 最大挠度/mm 709.2，9.3‰ 739.3，9.7‰ 注：5F2W8-ZGV2-48
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表 7 JS5732设计输入条件
Tab. 7.
The design conditions for JS5732 塔型 JS5732 导线 4×JL/G2A-720/50/4×JL/G1A-300/40 地线 LBGJ-150-40AC 设计风速/(m·s-1) 37(10 m高) 转角度数/(°) 30～60 水平档距/m 250/150 垂直档距/m ±450/±250
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表 8 30 m呼高Q345、Q460材质计算结果对比表
Tab. 8.
Comparison of the results of Q345 and Q460 for 30 m 牌号 Q345 Q460 塔腿主材管径×壁厚/mm ∅914×18 ∅762×16 法兰盘直径/mm 1 500 1 250 利用率/% 100% 98% 计算重/t 130.0 112.4 根开/m 14.75 14.75 长期挠度/mm 44.2，0.6‰ 46.7，0.6‰ 最大挠度/mm 883.8，11.1‰ 935.9，11.8‰ 注：塔型采用JS5732-30。
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表 9 试验塔设计输入条件
Tab. 9.
The design conditions for Test tower 塔型 5F2W8-ZGV2-35 导线 4×JL/G1A-630/45 地线 LBGJ-150-40AC 设计风速/(m·s-1) 37(10m高) 覆冰/mm 0 水平档距/m 572 垂直档距/m 750 腿部主材规格/mm ϕ356×10 全高/m 66.4 铁塔重量/t 55.0
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表 10 试验工况表
Tab. 10.
The test conditions 工况号 工况名 试验目的 1 同时断右地线和右上导线 地线横担的承载力和变形情况 2 同时断右上、中导线 检验铁塔在事故工况下的承载力和变形情况 3 起吊右下导线、其它导线均已装(地线已装) 导线横担的承载力和变形情况 4 锚右下导线、其它导线均已锚 检验铁塔在安装工况下的承载力和变形状况 5 90°大风计算 90°大风的承载力状况和变形情况 6 0°大风计算 0°大风的承载力状况和变形情况 7 60°大风计算(超载) 60°大风的承载力状况和变形情况
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