新型220 kV雙回雙桿終端鋼管桿設計與加工

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構布置及設計條件

220 kV雙回路鋼管雙桿帶電纜的終端桿的設計方案是：一回線是帶下線終端，另一回線是架空進變電架構。桿型的結構布置便于生產運行，尤其適合帶電纜終端的情況。實踐結果表明：該種終端桿雙桿結構布置合理，加工和施工安裝便捷。

輸電桿結構體系及導地線布置如圖1,圖2所示。

呼稱高：21 m；全高37.9 m；導線垂直線距6.2 m；地線頂架高4.5 m；導線水平線距4 m～5 m。

終端桿的設計條件如表1所示。

2 雙桿終端桿主要結構構造

2.1 材料選用

雙桿結構，剛度比較大，在主要受力面內是一個平面框架，因此強度起控制作用，使用高強的材料，有利于降低其用鋼量，故輸電桿本體材料選用美國的ASTM-A572 Gr65鋼材，它相當于我國標準為Q450的鋼材，該種鋼材由于嚴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度，而且保證了熱浸鍍鋅的質量。同時，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 終端桿的設計條件

2.2 結構形式選擇

主桿采用拔梢的十二邊形鋼管，它符合平面外作為一個懸臂結構的特點，左右兩桿采用相同的規格，分別由4段及3段組成，其底部外徑及規格為φ1 372×12，梢徑及規格為φ798×8和φ955×8。由于受力時雙桿在桿段中會產生拉力，且雙桿桿段之間尺寸誤差要求嚴格，不適合采用插接式的連接，因此，桿段之間采用帶肋法蘭盤連接。橫桿及橫擔采用八邊形斷面鋼管，橫桿管徑規格為φ940×11，橫擔為φ(200 mm～600 mm)×8 mm。橫擔連接螺栓采用8.8級M24高強螺栓，地腳螺栓采用24-M56，其屈服強度fy=517 MPa；經多方案設計研究分析比較后，結合我公司生產加工的經驗，橫桿與主桿之間的連接，采用帶插板的矩形法蘭盤，如圖2所示的橫桿與主桿連接法蘭盤。此節點的特點是豎向的插板為穿透主桿,上下各一塊箍環狀的蓋板與豎板及主桿焊接。采用這種結構形式，能有效的防止主桿桿壁由于受到橫桿作用力時產生的局部失穩及撕裂。

結構的總裝配見圖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。整個結構的加工圖的總用材量為38 665 kg。全部結構采用熱浸鍍鋅防腐。

3 結構的計算分析

此結構是一個立體的框架結構體系，適合采用三維的框架分析程序來作分析計算。設計時采用美國Valmont總公司的IMPAX程序作計算，該程序中有計算門型構架、A型門架的模塊taper(中文意思為錐度)，它專門用于鋼制錐形鋼管的結構分析計算，是三維有限元彈性分析軟件，基本單元是帶錐度的梁單元。程序是Valmont公司與美國Nebraska大學合作開發的,圖4是應用此程序建立的鋼管桿計算模型。

為校核用IMPAX程序的計算結果，采用我國電力系統中應用的“非線性結構矩陣分析程序”NSA作了進一步的校核計算。該程序是鋼管桿計算分析專用程序，可以用于幾何非線性結構的分析計算。用以上兩種程序的計算結果基本一致，計算主要結果如下：

結構桿頂(左桿)位移：在90°方向風，V=5 m/s的風速條件下，左桿桿頂沿垂直及順線條方向的位移分別為149.3 mm和5.1 mm；遠小于規程規定的20‰高度的760 mm；即使在帶分項系數的設計荷載條件下，在90°大風，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條方向的位移分別為528.6 mm和342.4 mm。這些數據表明結構的剛度很好。

基礎作用力:在90°大風，V=30 m/s，設計荷載條件下(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 (垂直線路方向)；

My=2 721.3 kN·m (順線路方向)；

Mz=69.47 kN·m。

右桿:Mx=1 975.1 kN·m (垂直線路方向)；

My=2 715.5 kN·m (順線路方向)；

Mz=67.12 kN·m。

從上列數據可以看出：左右兩桿的受力基本上相近；而且平面內與平面外的彎距也基本相近，兩主桿之間的橫桿內力比較大，因為它桿子根部的最大使用應力為254.8 MPa，其使用率為66%左右，設計留有足夠的裕度，承接著兩主桿平面內的巨大作用力，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。

由于內力較大，故橫桿需采用較大的截面φ940×11，其應力達312.9 MPa，使用率為80%左右，法蘭采用8.8級螺栓，28M36。

在設計過程中，橫桿布置的位置經多方案的優化分析計算，最終選擇在14.0 m及17.5 m處設置兩道橫梁。因為經多方案的比較發現，在此兩處設置橫梁，可以有效地傳遞兩桿平面內的作用力；而且兩橫梁的受力相近，能采用相同的截面，有利于雙桿的設計和加工，具有一定的經濟效益。計算共分析了7種荷載工況，起控制作用的是90°大風及覆冰兩種工況，此時鋼管桿分別在結構平面外和平面內受到最大荷載的作用。

4 結構的加工與安裝

結構加工的主要難點是：

部件加工精確度要求高，結構的最終成品是由剛度均比較大的部件組裝成的一個立體框架，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，會使拼裝工作產生極大的困難，例如橫桿長度僅僅4 m多一點，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，則會影響橫桿與主桿法蘭的緊密連接。為此，在加工中對每個零部件尺寸和平面平直度的誤差要求均比單桿的加工標準高。

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，容易產生焊接變形。

考慮到以上兩點，在加工中采用了主桿與橫桿先拼裝定位，經調整確認后點焊固定，再進行零部件的全面焊接工作，這樣完成的部件才能保證結構現場裝配的順利。至于加工件因鍍鋅可能產生的變形問題，由于部件的剛度比較大，板件比較厚，實踐表明，主桿部件沒有因鍍鋅作業而發生較大的變形。

結構的現場施工組裝：現場采用兩臺吊車進行施工組裝作業，如圖8所示，施工組裝很順利，僅用一個工作日就順利完成了作業，獲得了現場施工人員和業主的一致好評，輸電桿現狀見圖9。經查核桿件最終變形及結合面完全符合有關施工驗收規范的要求。

5 結語

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所，具有用鋼量小，占地面積小，受力簡潔且與環境和諧等優點，在實際工程中取得了很好的效果，具有很高的實用價值和推廣價值。