冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用

時間：2020-01-05作者：濟南英邦冷彎科技有限公司瀏覽：345

 我國每年要新建110kV級以上的輸電線路約17000公里，每年建設(shè)輸電鐵塔要耗用鋼材約45萬噸。隨著我國電力業(yè)的**發(fā)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。 

        同時由于我*地資源緊缺以及環(huán)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、減少拆遷量和占地和基礎(chǔ)土方開挖，多回路同塔并架和大坡度的鐵塔將越來越多地被采用。隨著桿塔規(guī)模同大型化發(fā)展，組成鐵塔型材的規(guī)格也越來越大，使得目前常用的低強度熱軋角鋼已難以滿足使用要求，尋求新形式、新品種的型鋼材料已成為必然。

        隨著我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，我國高強度級別鋼材和其他形式的型鋼產(chǎn)品越來越多地涌現(xiàn)。冷彎薄壁型鋼以其重量輕、強度高、材料利用率高以及施工方便等優(yōu)點，已被建筑、交通、**、工業(yè)和民用用品等行業(yè)廣泛使用。本文對輸電鐵塔中使用高強冷彎薄壁型鋼的可行性進行了一些探討，希望以此來推動冷彎薄壁型鋼產(chǎn)品在電力行業(yè)的使用。

        輸電線路鐵塔的發(fā)展現(xiàn)狀

        我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。隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，鐵塔使用的鋼材在材質(zhì)和類型上也有了一定的改進。具體表現(xiàn)為：

        高強度鋼材的使用。我國輸電鐵塔結(jié)構(gòu)所用鋼材，與園外**地區(qū)相比，品種單一、強度值偏低、可選擇余地小。當(dāng)桿塔荷載較大時，只能采用組合截面來彌補材料強度低的不足，增大了設(shè)計、加工的工作量和投資。美國《輸電鐵塔設(shè)計導(dǎo)則》***了10種材料標(biāo)準(zhǔn)供設(shè)計者選用，其高強鋼材的屈服強度達到448MPa。俄羅斯的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中所列鋼材的強度等級已達到578Mpa。近年來，隨著我國冶金工業(yè)的不斷發(fā)展，高強度鋼材的生產(chǎn)已經(jīng)不再是難事，我國的高強度結(jié)構(gòu)用鋼的質(zhì)量提高較快且日漸穩(wěn)定，供貨渠道日趨通暢，為輸電線路桿塔中采用高強度鋼材提供了可能。在75OkV輸電線路的前期科研項目中，地區(qū)電力公司電力建設(shè)*已經(jīng)對高強鋼使用將要遇到的節(jié)點連接構(gòu)造、構(gòu)件設(shè)計參數(shù)取值、配套螺栓以及經(jīng)濟效益情況進行了研究：認為目前從技術(shù)和使用上，高強鋼已*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%。但目前高強鋼大量使用的較大障礙是型鋼材料的供應(yīng)。鐵塔需要的型鋼品種多，各規(guī)格成批的需求量不大，同時高強型鋼成形難、軋模成本高、軋輥調(diào)整困難，使鋼廠生產(chǎn)高強型鋼的積極性不高，供貨難以**。

        鋼管塔的使用。上世紀(jì)80年代，**上許多地區(qū)在開發(fā)特高壓輸電線路時，開始將鋼管型材應(yīng)用到了鐵塔結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了以鋼管為塔體主材的鋼管塔。在日本，10OOkV的**高壓線路及高塔中幾乎全部使用了鋼管塔，他們對于鋼管桿的設(shè)計技術(shù)研究非常透徹。

        借鑒國外經(jīng)驗，國內(nèi)在5OOkV雙回路鐵塔和同塔四回鐵塔中也已使用鋼管型材，體現(xiàn)出了其良好性能和效益。其優(yōu)點表現(xiàn)在：一是可以減小塔身風(fēng)壓(構(gòu)件體形系數(shù)，圓管比角鋼幾乎小一倍)；二是在截面面積相等的情況下，圓管的回轉(zhuǎn)半徑比角鋼大20%左右；三是提高了結(jié)構(gòu)承載能力，一般來講，鋼管塔比角鋼塔用量降低10%-20%；同時還可減少桿件數(shù)量，縮短建塔周期，易于結(jié)構(gòu)多樣化。但鋼管的使用也存在鋼管型材規(guī)格品種有限、外面質(zhì)量不好、價格高等缺點，同時鋼管間連接的節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，加工生產(chǎn)效率低。

        冷彎薄壁型鋼的使用。冷彎薄壁型鋼的使用在國外已有幾十年的歷史。據(jù)了解，在輸電鐵塔中已應(yīng)用冷彎薄壁型鋼的地區(qū)有意大利、美國、加拿大、英國、原蘇聯(lián)、墨西哥等。據(jù)國外資料統(tǒng)計，采用冷彎薄壁型鋼比傳統(tǒng)熱軋角鋼可節(jié)省鋼材10%-18%。美國《輸電鐵塔設(shè)計導(dǎo)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*木工程師協(xié)會早已注意到冷彎型鋼的構(gòu)件在鐵塔上的應(yīng)用。但在國內(nèi)，冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔中的使用仍是空白。隨著桿塔結(jié)構(gòu)的大型化發(fā)展，組成鐵塔的型材規(guī)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(guī)格有限，貨源不充足。雖然通過采用組合截面和節(jié)點特殊處理可部分彌補型材的不足，但使得設(shè)計、加工的工作量和投資增大了許多，也使荷載傳遞方式復(fù)雜化，增加了不安全隱患。因此，在我國探求一種適合輸電鐵塔的新型鋼形式已顯得十分必要。

        高強冷彎型鋼的優(yōu)勢

        近年來，隨著我國鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟型材發(fā)展很快，與傳統(tǒng)軋制型材相比，冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉(zhuǎn)半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點。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(jié)約鋼材的目的。

        經(jīng)濟的截面特性。鐵塔中腹桿的工作狀態(tài)大多是大長細比的壓桿失穩(wěn)，采用角鋼等型材，截面特性無明顯優(yōu)勢，且可選擇的規(guī)格有限。冷彎型鋼可根據(jù)構(gòu)件受力特點選擇合適截面形式，充分發(fā)揮其截面界面特性，使其較經(jīng)濟合理。

        隨意的產(chǎn)品規(guī)格。一座10噸重的常規(guī)鐵塔，要用到不同規(guī)格的角鋼多達25種，要**同時采購到規(guī)格品種如此眾多、批量不大的型材難度可想而知。因此，鐵塔加工經(jīng)常出現(xiàn)塔材規(guī)格以大替小的代料，在鐵塔加工企業(yè)中因塔材代料造成5%的浪費是很正常的，多的可達10%。而冷彎薄壁型鋼的生產(chǎn)設(shè)備簡單，一套冷軋機可生產(chǎn)多種規(guī)格的型鋼，生產(chǎn)的批量、規(guī)格不受限制，這就為鐵塔用材的供貨來源提供了有力的**。

        可變的產(chǎn)品定尺。一座10噸重的鐵塔通常由近2000根構(gòu)件組成，鐵塔各構(gòu)件的長短不一。當(dāng)前熱軋型鋼都是定尺產(chǎn)品，因此使用熱軋型鋼進行塔材下料時，經(jīng)常出現(xiàn)材料余頭，這種由于材料定尺造成的材料損耗多達5%。而冷彎鋼產(chǎn)品可按用戶需要提供各種尺寸的型鋼，成材率高(達99%)，下腳余料少，可有效減少鐵塔加工中的材料損耗。

        多樣的形狀。冷彎薄壁型鋼截面形狀的多樣性，可以避免采用90度角鋼只能將鐵塔設(shè)計成方形或矩形以及塔身變坡引起連接構(gòu)件不共面的弊病，它為設(shè)計者設(shè)計新型、合理鐵塔開創(chuàng)了靈活條件。如可建立三立柱鐵塔，鐵塔腹桿體系也可進行優(yōu)化，可設(shè)計出較合理的鐵塔腹桿布置，這為設(shè)計各種新型鐵塔體系，進一步減輕鐵塔重量、節(jié)約材料、減少構(gòu)件數(shù)開創(chuàng)了新途徑。

        高強度的型材。對于鐵塔采用的高強度材料型鋼，若采用冷彎型鋼產(chǎn)品，可有效避免熱軋型鋼供貨批量限制和軋制工藝困難等缺陷。

        防腐問題。由于輸電線路長期在野外運行，為**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**的防腐技術(shù)和工藝在不斷地出現(xiàn)，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。

        高強耐候鋼的生產(chǎn)工藝已經(jīng)日趨成熟，已廣泛用于鐵路系統(tǒng)。在輸電鐵塔上采用高強耐候冷彎型鋼材料，與制造鐵塔的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，雖材質(zhì)的一次性投資略高，但由于去掉了防腐工序，其經(jīng)濟效益和社會效益顯著，經(jīng)粗步測算，每噸成本可下降20%左右。

        在上世紀(jì)80年代末期，有關(guān)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(dāng)時冷彎型鋼的價格較高和技術(shù)手段不夠完善，加上早期的鐵塔規(guī)模都較小，已有的熱軋型鋼*就可滿足使用要求，項目未能立項。近年來。隨著我國鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟型材發(fā)展很快，這些經(jīng)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(yōu)良性能，經(jīng)濟效益較為顯著。這為冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用提供了可能性。

        使用冷彎薄壁型鋼可有效地節(jié)約資源和能源。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(huán)境污染。是一項有顯著經(jīng)濟效益和環(huán)保意義的工作，所以應(yīng)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(yīng)用研究。

        在輸電鐵塔中采用冷彎薄壁型鋼應(yīng)加強研究

        隨著冷彎薄壁型鋼在工業(yè)、民用建筑結(jié)構(gòu)上的用途增加。設(shè)計理論日趨完善。目前，我國實施的是地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》、上海市頒布的《輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒布的《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，都為冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用提供了設(shè)計依據(jù)。

        目前，我國冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔尚未應(yīng)用，較沒有相關(guān)的設(shè)計技術(shù)規(guī)定。鐵塔結(jié)構(gòu)的計算模型是空間桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的設(shè)計是按拉桿和壓桿穩(wěn)定計算，構(gòu)件的邊界條件情況對構(gòu)件承載能力產(chǎn)生很大影響，同時線路施工現(xiàn)場決定鐵塔組裝不能使用大型機械，應(yīng)采用易于現(xiàn)場施工的連接方式。輸電鐵塔受力和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特殊性決定了不可照搬輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，要想使冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔中廣泛使用，還需要在以下幾方面進行一些理論分析和試驗研究工作：

        1.確定輸電鐵塔上冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力的計算方法和參數(shù)取值，包括在特定邊界約束條件下受壓構(gòu)件穩(wěn)定曲線的選取和使用、偏心構(gòu)件承載力的計算方法、構(gòu)件連接處強度和穩(wěn)定的計算方法、風(fēng)荷載在構(gòu)件產(chǎn)生的荷載和振動響應(yīng)的計算取值。2.冷彎薄壁型鋼塔形體系機構(gòu)件斷面優(yōu)化分析。3.確定合理的連接構(gòu)造形式和桿件支撐形式。4.較大厚度冷彎型鋼的成形工藝。5.冷彎型鋼的防腐問題。6.高強耐候冷彎型鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕指標(biāo)。

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• 冷彎型鋼在的我國生產(chǎn)發(fā)展和主要應(yīng)用領(lǐng)域

  國內(nèi)冷彎型鋼生產(chǎn)發(fā)展情況 我國冷彎型鋼生產(chǎn)起始于20世紀(jì)50-60年代，生產(chǎn)廠家集中于鞍山、上海、重慶等個別地區(qū)，主要服務(wù)于農(nóng)機業(yè)。20世紀(jì)80年代，是**次發(fā)展高潮，生產(chǎn)廠家擴大到華東、華北、東北等地區(qū)，服務(wù)范圍也擴大到貨車、客車、建筑門窗、公路護欄、貨架、電器等行業(yè)，但都限于中小型機組，品種規(guī)格較少，約2000種；材質(zhì)均為普碳鋼，全部冷彎型鋼產(chǎn)量約占鋼材總量的1-1.5%，與**相比差距