河北万邦鼎昌电力设备有限公司

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电力钢管杆在架空电力线路中的应用与优化

  电力钢管杆以其占地小、基础不影响其他管线的敷设、附件设计灵活多样、塔材不易被盗等优点,广泛应用于城区、市郊、开发区输电线路工程中。近年来,农网改造工程持续稳步推进,电力线路新建改造工程日益增多;同时,城市建设步伐加快、城市用电量迅速增长、市政建设道路修扩以及地块开发等诸多因素,架空电力线路增设、改建、迁移要求也越来越多。因城市线路通道有限,多回路架设应用越来越多,在这种条件下,城市钢管杆在城市电力线路中优势越发明显,另外,随着Q390、Q420甚至更高强度的钢材应用,钢管杆可以设计得更加紧凑、美观。但正是由于钢管杆这些特点,钢管杆的钢材用量比较大,其材料费用在整个线路工程中所占的比例也远比自立式铁塔高。综合考虑制造工艺、施工方法(包括运输安装)以及运行维护和环境因素,本文结合以往工程设计经验,提出钢管杆设计优化经验和方法,以达到减轻重量、节约钢材并降低工程造价的目的。

  1钢管杆的截面及分段

  通过分析比较钢管杆截面特性,环形截面具有较好的受力特性,其次是十六边形,再次是十二边形……边数越多受力越优、材料相对耗用小,但加工难度增大。

  由于钢管杆壁厚逐渐变化,需要分若干段,一基杆塔中间法兰不宜超过4个。但又受到运输和模压、热镀锌的工艺限制,每段杆段长度宜确定在10m左右,当壁厚较大时(>22mm),还应根据加工厂的设备能力适当减少段长,否则将无法压制。

  2钢管杆力学性能相关计算

  由《架空送电线路钢管杆设计技术规定》相关条文知道,钢管杆力学模型为一个悬臂梁,由水平力FH引起的扰度;由弯矩M引起的扰度;式中;L1为力或弯矩作用点高度;c、和φ分别为与截面形状有关的常数;E为钢材弹性模量,近似为常数。

  法兰螺栓的最大拉力可按公式计算,其中:M为法兰所受弯矩;N为法兰所受的轴向作用力,压力时取用负值;Yi―螺栓中心到旋转轴的距离;Y1―受力最大螺栓中心到旋转轴的距离。

  地脚螺栓分布圆直径应满足公式,其中:DG为钢管杆根径,mm;d为螺栓直径,mm。

  3钢管杆的根径、梢径及锥度

  从钢管杆相关特性计算公式上可以知道,钢管杆的挠度与截面惯性矩IB成反比,对其扰度控制起决定性作用的是根径的数值,钢管杆根径DG对挠度的贡献远远大于壁厚t。在其他外形参数不变的情况下,扩大梢径或根径尺寸,均可使钢管杆的整体刚度显著提高。钢管杆的锥度大小由杆的荷载大小决定荷载越大,弯矩包络图斜率就越大,从而需要越大的锥度以保证受力合理。但由于挠度控制的要求,梢径不能过小,故锥度过大又势必导致根径过大,一方面浪费材料,同时严重影响美观。

  通常,直线杆的梢径取250~400mm,锥度取1/75左右;0~20°转角杆取300~500mm,锥度取1/65左右;20~40°转角杆取400~600mm,锥度取1/55左右;40~60°转角杆取500~700mm,锥度取45左右;60~90°转角杆取600~800mm,锥度取1/35左右。

  当杆塔荷载不同时,综合占地、美观、材料量、挠度等因素,杆塔的梢径和锥度应该根据荷载大小进行优化。

  4优化计算方法

  分析钢管杆荷载情况可以知道,钢管杆承受的弯矩主要来自三方面:导地线风荷载、导地线张力和杆身风荷载;其中由导地线引起的弯矩为占较大比例。

  在钢管杆设计时,先利用常用的梢径、锥度值,计算出杆塔的根径。根据杆塔使用条件,设计出钢管杆的单线图,计算出钢管杆根部弯矩及轴向作用力以及力的作用高度。根据钢管杆的荷载情况,可以计算出钢管杆根部螺栓规格及分布圆。由于地脚螺栓规格一般是M24、M30、M36等,计算时可以通过调整地脚螺栓数量及分布圆情况,使地脚螺栓为使地脚螺栓充分利用。根据计算得到的地脚螺栓分布圆可以反推得到钢管杆根部直径,然后根据钢管杆局部稳定计算及杆塔扰度限值,调整钢管杆的梢径、锥度、壁厚、分段长度等参数,使钢管杆的板材得到充分利用。

  钢管杆根据根径调整相关外形参数后,会导致杆塔的荷载情况有所变化,这个变化主要为杆塔风荷载和重力荷载的变化,相对较小,因此计算地脚螺栓时留2%~3%的余量即可。

  5计算举例

  以国网公司典型设计(2011版)1GGE4-SJ4型钢管杆为例,计算导地线在钢管杆根部引起的弯矩值为9645kN?m,水平力为328kN,合力作用点高度为29.4m,按扰度控制在10‰左右,可以初步估算出根部直径为1700mm,壁厚为14mm,地脚螺栓规格为36M64(综合应力比80%),根据估算直径,优化计算钢管杆对比结果。

  通过优化计算可以知道,初步估算出钢管杆根径和壁厚后,通过调整梢径、分段长度,可以使钢管杆材质的综合应力比更加合理、均衡,从而达到降低重量的目的。

  6结束语

  根据钢管杆上导地线的荷载情况,优先确定钢管杆的根部尺寸及地脚螺栓规格,进一步优化钢管杆根部杆段,自下而上的计算钢管杆杆身,从而可以使钢管杆优化计算工作量大大减少,也可以使钢管杆的锥度、壁厚和分段长度设置更加合理,使每一段钢管杆的板材可以更有效地使用。

  对于输电线路的钢管杆,特别是转角钢管杆,其设计选材结果往往是挠度控制而非强度控制。现在已经有多种钢管杆计算软件,可以通过计算确定一个较合理的钢管杆根部尺寸,然后在软件建立相关模型,利用软件计算功能调整杆身截面尺寸、直径、壁厚和锥度等,直到满足规程相关规定为止。从而减少手工计算的工作量,同时也利于钢管杆计算优化,提高材料的利用率,设计出更轻的钢管杆。

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2018-07-30

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