新型220 kV雙回雙桿終端鋼管桿設(shè)計(jì)與加工

王傳生 劉 鳴 劉澤東 王 吉

(山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277101)

1 220 kV雙回路鋼管雙桿終端桿的結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)條件

220 kV雙回路鋼管雙桿帶電纜的終端桿的設(shè)計(jì)方案是：一回線(xiàn)是帶下線(xiàn)終端，另一回線(xiàn)是架空進(jìn)變電架構(gòu)。桿型的結(jié)構(gòu)布置便于生產(chǎn)運(yùn)行，尤其適合帶電纜終端的情況。實(shí)踐結(jié)果表明：該種終端桿雙桿結(jié)構(gòu)布置合理，加工和施工安裝便捷。

輸電桿結(jié)構(gòu)體系及導(dǎo)地線(xiàn)布置如圖1,圖2所示。

呼稱(chēng)高：21 m；全高37.9 m；導(dǎo)線(xiàn)垂直線(xiàn)距6.2 m；地線(xiàn)頂架高4.5 m；導(dǎo)線(xiàn)水平線(xiàn)距4 m～5 m。

終端桿的設(shè)計(jì)條件如表1所示。

2 雙桿終端桿主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 材料選用

雙桿結(jié)構(gòu)，剛度比較大，在主要受力面內(nèi)是一個(gè)平面框架，因此強(qiáng)度起控制作用，使用高強(qiáng)的材料，有利于降低其用鋼量，故輸電桿本體材料選用美國(guó)的ASTM-A572 Gr65鋼材，它相當(dāng)于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為Q450的鋼材，該種鋼材由于嚴(yán)格的控制鋼材中微量元素的含量，因此，不僅具有很高的屈服強(qiáng)度，而且保證了熱浸鍍鋅的質(zhì)量。同時(shí)，該種鋼材將含碳量控制在較低的水平，使鋼材具備很好的塑性和韌性，尤其是低溫下的沖擊韌性、很好的冷加工(如冷彎)性能和良好的可焊性。

表1 終端桿的設(shè)計(jì)條件

2.2 結(jié)構(gòu)形式選擇

主桿采用拔梢的十二邊形鋼管，它符合平面外作為一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，左右兩桿采用相同的規(guī)格，分別由4段及3段組成，其底部外徑及規(guī)格為φ1 372×12，梢徑及規(guī)格為φ798×8和φ955×8。由于受力時(shí)雙桿在桿段中會(huì)產(chǎn)生拉力，且雙桿桿段之間尺寸誤差要求嚴(yán)格，不適合采用插接式的連接，因此，桿段之間采用帶肋法蘭盤(pán)連接。橫桿及橫擔(dān)采用八邊形斷面鋼管，橫桿管徑規(guī)格為φ940×11，橫擔(dān)為φ(200 mm～600 mm)×8 mm。橫擔(dān)連接螺栓采用8.8級(jí)M24高強(qiáng)螺栓，地腳螺栓采用24-M56，其屈服強(qiáng)度f(wàn)y=517 MPa；經(jīng)多方案設(shè)計(jì)研究分析比較后，結(jié)合我公司生產(chǎn)加工的經(jīng)驗(yàn)，橫桿與主桿之間的連接，采用帶插板的矩形法蘭盤(pán)，如圖2所示的橫桿與主桿連接法蘭盤(pán)。此節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是豎向的插板為穿透主桿,上下各一塊箍環(huán)狀的蓋板與豎板及主桿焊接。采用這種結(jié)構(gòu)形式，能有效的防止主桿桿壁由于受到橫桿作用力時(shí)產(chǎn)生的局部失穩(wěn)及撕裂。

結(jié)構(gòu)的總裝配見(jiàn)圖3。由于雙桿有一回需下電纜，因此在桿體上有一些下電纜支架。整個(gè)結(jié)構(gòu)的加工圖的總用材量為38 665 kg。全部結(jié)構(gòu)采用熱浸鍍鋅防腐。

3 結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

此結(jié)構(gòu)是一個(gè)立體的框架結(jié)構(gòu)體系，適合采用三維的框架分析程序來(lái)作分析計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)采用美國(guó)Valmont總公司的IMPAX程序作計(jì)算，該程序中有計(jì)算門(mén)型構(gòu)架、A型門(mén)架的模塊taper(中文意思為錐度)，它專(zhuān)門(mén)用于鋼制錐形鋼管的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，是三維有限元彈性分析軟件，基本單元是帶錐度的梁?jiǎn)卧?。程序是Valmont公司與美國(guó)Nebraska大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的,圖4是應(yīng)用此程序建立的鋼管桿計(jì)算模型。

為校核用IMPAX程序的計(jì)算結(jié)果，采用我國(guó)電力系統(tǒng)中應(yīng)用的“非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)矩陣分析程序”NSA作了進(jìn)一步的校核計(jì)算。該程序是鋼管桿計(jì)算分析專(zhuān)用程序，可以用于幾何非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算。用以上兩種程序的計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算主要結(jié)果如下：

結(jié)構(gòu)桿頂(左桿)位移：在90°方向風(fēng)，V=5 m/s的風(fēng)速條件下，左桿桿頂沿垂直及順線(xiàn)條方向的位移分別為149.3 mm和5.1 mm；遠(yuǎn)小于規(guī)程規(guī)定的20‰高度的760 mm；即使在帶分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)荷載條件下，在90°大風(fēng)，V=30 m/s以及10 mm覆冰兩種最不利荷載條件下，左桿桿頂沿垂直和順線(xiàn)條方向的位移分別為528.6 mm和342.4 mm。這些數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)的剛度很好。

基礎(chǔ)作用力:在90°大風(fēng)，V=30 m/s，設(shè)計(jì)荷載條件下(控制工況之一)，如圖5，圖6所示，作用力如下：

左桿：Mx=2 163.6 kN·m (垂直線(xiàn)路方向)；

My=2 721.3 kN·m (順線(xiàn)路方向)；

Mz=69.47 kN·m。

右桿:Mx=1 975.1 kN·m (垂直線(xiàn)路方向)；

My=2 715.5 kN·m (順線(xiàn)路方向)；

Mz=67.12 kN·m。

從上列數(shù)據(jù)可以看出：左右兩桿的受力基本上相近；而且平面內(nèi)與平面外的彎距也基本相近，兩主桿之間的橫桿內(nèi)力比較大，因?yàn)樗鼦U子根部的最大使用應(yīng)力為254.8 MPa，其使用率為66%左右，設(shè)計(jì)留有足夠的裕度，承接著兩主桿平面內(nèi)的巨大作用力，如圖7所示。

以下橫桿為例(在覆冰情況下)：

軸向力:N=-57.3 kN；

剪力:Q=809.0 kN;

彎矩:Mx=2 460.5 kN·m;My=0.1 kN·m。

扭矩:Mz=6.5 kN·m。

由于內(nèi)力較大，故橫桿需采用較大的截面φ940×11，其應(yīng)力達(dá)312.9 MPa，使用率為80%左右，法蘭采用8.8級(jí)螺栓，28M36。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，橫桿布置的位置經(jīng)多方案的優(yōu)化分析計(jì)算，最終選擇在14.0 m及17.5 m處設(shè)置兩道橫梁。因?yàn)榻?jīng)多方案的比較發(fā)現(xiàn)，在此兩處設(shè)置橫梁，可以有效地傳遞兩桿平面內(nèi)的作用力；而且兩橫梁的受力相近，能采用相同的截面，有利于雙桿的設(shè)計(jì)和加工，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算共分析了7種荷載工況，起控制作用的是90°大風(fēng)及覆冰兩種工況，此時(shí)鋼管桿分別在結(jié)構(gòu)平面外和平面內(nèi)受到最大荷載的作用。

4 結(jié)構(gòu)的加工與安裝

結(jié)構(gòu)加工的主要難點(diǎn)是：

部件加工精確度要求高，結(jié)構(gòu)的最終成品是由剛度均比較大的部件組裝成的一個(gè)立體框架，部件間的連接采用接觸面較大的法蘭，因此如果部件的尺寸及平整度有較大誤差，會(huì)使拼裝工作產(chǎn)生極大的困難，例如橫桿長(zhǎng)度僅僅4 m多一點(diǎn)，而所帶的法蘭輪廓的面積近1.0 m2；如果桿件尺寸及平面平整度有大于±1‰誤差，則會(huì)影響橫桿與主桿法蘭的緊密連接。為此，在加工中對(duì)每個(gè)零部件尺寸和平面平直度的誤差要求均比單桿的加工標(biāo)準(zhǔn)高。

在橫桿與主桿的連接處，穿透主桿的豎向連接板及上下二道箍環(huán)狀的肋板，先與主桿焊接后，再焊接連接法蘭于上面，施焊工作量均比較大，容易產(chǎn)生焊接變形。

考慮到以上兩點(diǎn)，在加工中采用了主桿與橫桿先拼裝定位，經(jīng)調(diào)整確認(rèn)后點(diǎn)焊固定，再進(jìn)行零部件的全面焊接工作，這樣完成的部件才能保證結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)裝配的順利。至于加工件因鍍鋅可能產(chǎn)生的變形問(wèn)題，由于部件的剛度比較大，板件比較厚，實(shí)踐表明，主桿部件沒(méi)有因鍍鋅作業(yè)而發(fā)生較大的變形。

結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工組裝：現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)吊車(chē)進(jìn)行施工組裝作業(yè)，如圖8所示，施工組裝很順利，僅用一個(gè)工作日就順利完成了作業(yè)，獲得了現(xiàn)場(chǎng)施工人員和業(yè)主的一致好評(píng)，輸電桿現(xiàn)狀見(jiàn)圖9。經(jīng)查核桿件最終變形及結(jié)合面完全符合有關(guān)施工驗(yàn)收規(guī)范的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

220 kV雙回路鋼管雙桿終端桿特別適合用在電纜終端塔用地面積緊張的場(chǎng)所，具有用鋼量小，占地面積小，受力簡(jiǎn)潔且與環(huán)境和諧等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中取得了很好的效果，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。