Q420 高强钢材在大荷载输电角钢塔及四回路输电钢杆中的应用

1. Q420高强钢材在大荷载输电角钢塔及四回路输电钢杆中的应用Q420高强钢材在大荷载输电角钢塔及四回路输电钢杆中的应用 金晓华 广东省电力设计研究院

2. 4 2 3 1 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 采用 Q420高强角钢输电塔试验及应用简况 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 汇报内容

3. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 Q420钢材与Q345钢材机械性能及强度设计值见表2-1 上表中Q420与Q345钢材的强度设计值比值为310/360＝0.861，对简单拉伸构件，承载力与材料强度值成正比；而受轴向压力构件的承载力与截面弯曲变形有关，变形方向不同，承载力则不同，其抗屈曲承载力与构件长度L的平方成反比、与构件的抗弯刚度指标-截面回转半径i成正比，即与长细比λ=L/i有关，当有强轴和弱轴两个不同轴时，必然向弱轴方向屈曲。

4. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 • 构件强度计算 • 公式：N / An≤ m·f • N — 轴心压力设计值 • An — 构件净截面面积。 • m — 构件强度折减系数。 • f — 角钢强度设计值。 • 当构件由强度控制时，承载力的差别仅由角钢强度设计值决定。 • 当角钢肢厚t<=16 mm ： NQ420 / NQ345 = f Q420 / f Q345 ≈ 1.23 • 当角钢肢厚t> 16 mm ： NQ420 / NQ345 = f Q420 / f Q345≈ 1.22 • 构件稳定计算 • 公式：N/(Φ·A) ≤ mN·f • A — 构件毛截面面积。 • Φ—铁塔轴心受压构件稳定系数。 • mN— 压杆稳定强度拆减系数

5. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 当长细比λ增大时，同一规格Q420角钢相比Q345角钢轴心受压稳定强度的承载力的的优势逐渐减小。当λ小于40时， Q420角钢对Q345角钢承载力提高20%以上，此时用Q420角钢替代Q345角钢可减小构件规格和重量；当λ大于80后， Q420角钢对Q345角钢承载力提高不足10%，如果此时保持λ不变，采用Q420角钢替代Q345角钢就不足以让角钢规格降下来，而且Q420角钢价格比Q345角钢高200～ 500元/吨或更高，既使采用Q420角钢能使角钢规格降下来也不足以降低杆塔费用。所以当构件长细比λ小于40，宜采用Q420选材，而当构件长细比λ大于80后，不宜采用Q420选材。

6. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 抽取几个采用Q420高强钢的实际工程作计算分析，当主材采用 Q420钢时相比采用 Q345钢，钢材用量减少的幅度见表2-2：

7. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 由表2-2及工程经验表明： 当塔的主材用单角钢时减幅1%～6%，减幅小是由于上不主材不需要采用Q420； 当塔的主材用双角钢时减幅6%～11%； 减幅随着荷载的增大呈上升趋势 但相比Q420钢材强度设计值的增幅要小。 工程经验表明:当塔的主材用单角钢时减幅1%～6%,减幅小是由于上不主材不需要采用Q420；当塔的主材用双角钢时减幅6%～11%，减幅随着荷载的增大呈上升趋势，但相比Q420钢材强度设计值的增幅要小。

8. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 实际工程中，由于组合角钢降为单角钢使填板、节点板、塔脚靴板、螺栓等得用量都减少，采用Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度明显。 500千伏贤令山至花都送电线路，4x630导线、双回路、按27m/s风设计，于2008年6月投运，该线路在广东省内首次大量使用Q420高强钢，节约了本体投资，塔的钢材每千米指标94吨/km，这在以往是做不到的。 500千伏蝶砚送电线路，已于2009年投运，该线路4x720导线、双回路、按32m/s、35 m/s风设计，主材采用Q420高强钢，节约了本体投资，塔的钢材每千米指标104吨/km。 总之，大荷载输电塔主材采用Q420高强钢可以取得较好的经济效益。

9. 1 采用 Q420高强钢可以减轻钢材用量的幅度 在500kV 4x720导线 工程中 在500kV 4x630导线 工程中 工程应用概况： 路径： 500kV蝶岭至砚都送电线路沿线地形主要为山地，按同塔双回路架设。路径长155km。 气象条件：32m/s、34m/s。 导线：4xLGJ- 720/50钢芯铝绞线。 采用Q420钢，使铁塔重量减少7%。本工程Q420高强钢的用量约为3100吨。 工程应用概况： 500kV贤令山至花都送电线路沿线地形主要为山地，长130km，同塔双回路。 气象条件：27m/s 导线：4xLGJ-630/45 钢芯铝绞线 采用Q420钢，重量减少6～10%，铁塔造价降低5%。本工程Q420高强钢的用量约为3200吨。

10. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 Q420 钢材

11. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况

12. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 四回路输电钢杆采用 Q420进行的试验研究 四回路转角杆 真型试验 （Q420钢材） 典型节点强度试验（Q420钢材）

13. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 广东省电力设计研究院于2007年10月对次在省内珠三角城区绿化带中走线的220kV四回路Q420高强钢杆选取典型节点在同济大学建筑工程系进行了Q420高强钢节点模型试验；于2008年3月选取代表杆型在中国电力科学研究院进行了Q420高强钢杆真型试验。由于是首次在四回路钢杆上使用Q420钢材，经综合各因素考虑，在设计时将主杆Q420材料强度的利用率控制在90%。

14. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 材料试验

15. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 材料试验 由表3-1可看出： Q420材料试验的屈服点与钢材牌号很接近，强度设计值与屈服点比值为0.83，屈强比0.74，延性较好，满足结构钢要求。 Q345材料试验的屈服点与钢材牌号较接近，强度设计值与屈服点比值为0.88，屈强比0.69，延性更好，满足结构钢要求。 Q420材料试验的与Q345材料强度递增曲线图形相似，Q420延性相比Q345略差，但强度特性没有质的区别。

16. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 Q420典型节点试验

17. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 Q420典型节点试验

18. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况

19. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 Q420典型节点试验结论： 2组试件的试验，在设计荷载下，各构件处于弹性状态，未见异常，Q420B钢材没有发生脆性断裂，也没有层状撕裂现象，焊缝也未见裂纹，表明Q420B钢材有良好的可焊性，满足工程要求；对第1组试件的典型法兰节点当超载40%～60%时，试件主管的受压区屈曲失稳达到极限状态，验证了结构设计是安全的。

20. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 广东省电力设计研究院于2008年3月对主杆采用Q420钢材的DJG3621杆完成真型试验。试验分别通过了安装工况、事故工况、正常运行工况的，在45度风向的运行大风工况，当超载到118%时钢杆的根部出现屈服。当钢杆根部出现屈服后底部迅速失稳鼓出破坏。此时钢杆的计算应力为材料强度设计值的110％，即360x110%=396N/mm2，计算应力未达到材料的屈服点值。

21. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 钢板构件及节点试验 真型试验 • DJG3621塔真型试验，当加载到118％时塔的根部出现屈服点。 • 荷载118%,计算应力A.Q420代表杆型试验工况见表3-3：刚好是110％，底部压区迅速鼓出屈服，一屈服迅速发展，说明Q420钢延性差。 • 法兰等现场肉眼未发现屈服变形等情况。 超载118%时，底部迅速屈曲破坏

22. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 实际工程应用Q420情况

23. 2 采用 Q420高强钢的四回路钢杆试验及应用简况 实际工程应用效果 路径受阻少，减轻了工程建设难度 ·自2008年初投产至今运行良好 ·社会效益经济效益显著 少拆迁4000平方米，节省投资2000万元 对城区景观影响小

24. 四回路钢杆采用 Q420高强钢应用简况 2

25. 3 采用 Q420高强角钢输电塔试验及应用简况

26. 3 采用 Q420高强角钢输电塔试验及应用简况 Q420材料强度的利用率控制 • ±800kV特高压直流塔主材采用Q420钢材。广东院根据2007年12月17日中国电力顾问集团公司组织在成都对本工程的特高压输电塔施工图检查会议纪要，结合广东院的工程经验，对双角钢做了一些强度折减的规定，具体如下： • 转角塔的塔腿主材长细比≤42，塔腿斜材按照最小轴布置和计算。 • 塔腿的主、斜材根据分格数控制材料强度的利用率，见如下表：

27. 3 采用 Q420高强角钢输电塔试验及应用简况 ±800kV特高压直流J30-2型转角塔真型试验结果 超载113%时，塔身部主材屈曲失稳

28. 3 采用 Q420高强角钢输电塔试验及应用简况 ±800kV特高压直流J30-2型转角塔真型试验结果 J30-2塔通过了全部安装、事故、正常运行工况的100%加载试验，在45度大风运行工况下、超载到113%时塔身腿部隔面往上一段的主材出现失稳破坏。对应的计算应力是材料强度设计值的94％，即360x94%=338N/mm2，未达到材料的屈服点，试验证明对材料强度适当折减是合理的。

29. 3 采用 Q420高强角钢输电塔试验及应用简况 工程建设实景 工程运行实景

30. 4 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 输电塔的构件假定为轴向受力构件，当主材采用组合构件时，长细比一般在20～40之间，这时节点弯矩及非线性特性在构件中产生的次应力对构件的影响大。 左图为主材按照梁单元计算的单元端弯矩图。

31. 4 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 输电塔的构件假定为轴向受力构件，当主材采用组合构件时，长细比一般在20～40之间，这时节点弯矩及非线性特性在构件中产生的次应力对构件的影响大。 左图为主材按照梁单元计算的+y向弯曲应力图。

32. 4 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 输电塔的构件假定为轴向受力构件，当主材采用组合构件时，长细比一般在20～40之间，这时节点弯矩及非线性特性在构件中产生的次应力对构件的影响大。 左图为主材按照梁单元计算的-y向弯曲应力图·。

33. 4 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 输电塔的构件假定也即计算模型是关键问题的关键，节点弯矩及非线性特性在长细长小于40的构件中产生的次应力问题不是高强钢独有的，当主材采用组合构件或钢管构件时，长细比一般在20～40之间，节点弯矩应足够重视，如果是组合角钢构件，节点约束还可能引起扭矩，应足够的重视。 高强钢钢材种类构件假定为轴向受力构件，这时仍然假定为受轴向力的构件进行计算设计，应在强度值上留有余度。仅受周祥雅莉511 左图为主材按照梁单元计算的-y向弯曲应力图·。 日本在92年～99年相继建成四段同塔双回路共425km的1000kV线路中，辅材采用角钢SS41或STK41型钢，主材采用钢管SS55或STK55型钢。

34. 4 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 东莞城区500kV 单回改双回路窄基钢管杆 ±800kV糯扎渡特高压线路 Q420 钢材 ±500kV溪洛渡 双回路直流线路 500kV双回路交流线路 当不需要用钢管构件时 四回路及以上同塔线路 山区运输困难地段的所有线路

35. 4 对采用 Q420高强钢的问题分析及应用建议 2010 2009 研究Q460钢材应用问题 除钢管塔以外所有 大荷载输电塔 2008 500kV大导线双回路线路 ±800kV特高压直流线路 2007 四回路钢管杆线路

36. 汇 报 完 毕 谢谢!