高強鋁合金結構在輸變電工程中的應用與發展研究

徐劍佩 ,吳 將 ,郭 勇 ,單雙波

（1.國網浙江省電力有限公司建設分公司,浙江 杭州 310009;2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司,浙江 杭州 310012;3.華業鋼構有限公司,浙江 寧波 315200）

隨著改革開放的深入與產業結構的轉型升級,我國經濟穩步發展,電力能源的需求也隨之快速上升.近年來,為了滿足全國各區域工業生產和經濟發展的需求,通過特高壓實現西電東送和跨區域調配,形成全國聯通的國家電網,大幅提升了電力能源配置能力和電網穩定安全供電水平.作為保障社會運行的生命線工程,輸變電工程的建設與人們的生產和生活息息相關[1].

然而,隨著城市化建設的不斷推進,使得輸變電工程的規劃從郊區逐漸向山地偏遠地區遷移.傳統輸變電工程中通常采用鋼構件,例如輸電線路桿塔一般采用角鋼或者圓鋼管,單件重量較重.在一些偏遠山區交通運輸極為不便,大型施工機械無法進入場地,輸變電工程的鋼構件依然需要靠人力或者畜力運輸,增加了施工安裝的成本和安全隱患.

此外,對于一些工業區和沿海城市,大氣環境腐蝕較強,為了避免鋼構件的銹蝕,通常需要采用鍍鋅防腐工藝,不僅增加了成本,而且對環境污染極大,不符合綠色和可持續發展的理念.同時,鍍鋅保護層的耐久性有限,需要定期檢查和涂刷防銹漆,也增加了后期維護和檢修的成本.

相比于傳統鋼結構,鋁合金材料在輕質和耐腐蝕方面有著天然優勢,因此高強鋁合金結構在輸變電工程中的應用意義重大.本文介紹了工程常用高強鋁合金材料的基本特性,以及在國內外輸變電工程中的應用情況,歸納了高強鋁合金結構的應用優勢.同時,針對鋁合金的特性指出了在輸變電工程設計中可能存在的問題,并對高強鋁合金結構在輸變電工程中的推廣應用于發展提出了建議.

1 鋁合金的材料特性

工程中常用的鋁合金為經過固溶熱處理和人工時效的6 系鋁硅鎂合金.表1 中對比了結構用鋁合金和Q235 鋼的基本物理和力學特性[2-3].其中ρ和α分別為材料的密度和線膨脹系數,E、G、ν分別為材料的彈性模量、剪切模量和泊松比.對于鋼材來說,fy為屈服強度;但對于鋁合金,由于沒有明顯的屈服平臺,f0.2是殘余應變為0.2%時所對應的名義屈服強度.fu和δ分別為材料的極限抗拉強度和伸長率.

表1 鋁合金擠壓型材物理和力學性能(標準值)

結合鋁合金與鋼材的物理力學性能參數對比情況,在結構工程中采用鋁合金代替傳統鋼結構的優勢在于以下幾個方面:

(1)鋁合金自重較鋼材輕,對于相同尺寸的構件,鋁合金重量僅為鋼材的1/3 左右.這使得鋁合金便于運輸和安裝,極大地減少了勞動力成本.

(2)鋁合金氧化后能形成直面的保護層,具有優異耐腐蝕性,特別適用于污染較重的腐蝕性環境,減少了后期維護成本.相比之下,鋼構件需要鍍鋅防腐,不僅污染了環境,而且增加了工藝和后期維護成本.

(3)鋁合金的熔點遠低于鋼材,可以輕松地通過擠壓生產出各種截面型式的構件,可充分發揮材料的性能.

(4)鋁合金的回收率非常高.回收制造后性能不變,符合綠色環保和可持續發展的理念,提高了綜合經濟效益.

鋁合金的這一系列特點非常適用于輸變電工程中的應用,例如輸電塔、變電站構架等.但是需要注意到,鋁合金彈性模量僅為鋼材的1/3,這意味著鋁合金結構的穩定性較鋼材差,且鋁合金在荷載作用下的變形較鋼材大.雖然6061-T6 高強鋁合金擠壓型材的名義屈服強度f0.2與Q235 鋼材接近,但是極限抗拉強度fu遠低于鋼材,屈強比小,且伸長率較鋼材差.因此可通過調整合金組成成分以提高鋁合金的名義屈服強度,但彈性模量沒有發生改變,即名義屈服強度越高的鋁合金,其穩定問題更為突出.此外,鋁合金的線膨脹系數為鋼材2 倍,高溫下變形較鋼材大.因此,鋁合金的穩定問題和撓度控制分別是研究和應用過程中的重點.

2 高強鋁合金在國內外輸變電工程中的應用

2.1 輸電塔

高強鋁合金結構在輸電塔中的應用可以追溯到20 世紀60 年代,加拿大采用角鋁建造了Y 型輸電塔用于單回路的500 kV 線路[4].1960 年,美國Delaware 建造了一條雙回路220 kV 線路,由于該線路穿越重工業聚集區,大氣腐蝕性強,設計者采用了6061-T6 角鋁建造了鋁合金輸電塔[5].到20 世紀80 年代初,前蘇聯設計建造了拉線門式鋁合金輸電塔,并應用于偏遠的高加索山區[6].由此可以看到,目前鋁合金結構在輸電塔中的應用主要以拉線塔為主[7].

當前,高強鋁合金結構在我國高壓輸電塔中的應用尚未見報,僅在通信塔中有所應用.國內對鋁合金結構在桿塔中的應用最早是1994 年建于鹽城市的鋁合金通訊塔,但是由于荷載計算不足,以及設計方法不當,該通訊塔在使用數月后倒塌[8].2009 年,在上海崇明島建造了30 m 高的鋁合金通信塔,該工程采用6061-T6 鋁合金材料,用于抵抗海邊高腐蝕環境,取得了很好的效果[9].

2.2 搶修塔

輸電線路在極端氣候條件下或者受人為損壞影響,可能發生倒塌事故.對于此類事故通常采用搶修塔快速恢復供電.此時,模塊化安裝的通用輕質鋁合金搶修塔就展現了獨特的優勢.文獻[10-12]記錄了近年國內生產、設計和應用的鋁合金搶修塔案例.2013 年,浙江蕭山的搶修塔組織演練表明,采用鋁合金搶修塔,效率提升了12 倍,節約了人力資源60%[4].

2.3 變電站構架

1960 年,前新英格蘭電力系統公司在戶外變電站構架中采用鋁合金代替傳統的木結構和鍍鋅鋼結構.在后續的幾十年里,鋁合金作為構架材料備受英國國家電網公司青睞,其中主要采用了6 系鋁合金作為受力構件.文獻[13]表明,1960 年安裝的鋁合金變電站構件依然正常使用,僅在水漬聚集處和與混凝土直接接觸處出現變色斑點和點狀腐蝕凹坑,表明了鋁合金材料優異的耐久性.雖然由于鋁合金價格高于鋼材,初期投入較高,但是綜合考慮運輸、施工和長期的維護成本,鋁合金的綜合經濟效益不菲.

3 鋁合金桿塔研究現狀與存在問題

3.1 高強鋁合金壓桿穩定性的國內外研究現狀

國外對于鋁合金結構的研究可追溯至20 世紀40 年代,近80 年來關于鋁合金材料、承載力計算、節點連接和設計方法等方面研究不斷得到發展[14].目前國外的鋁合金結構設計規范主要有歐洲規范(Eurocode 9)[2],美國鋁業協會的鋁合金結構設計手冊(Aluminum Design Manual)[15],加拿大標準協會的鋁合金強度設計規范(CSA S157-17)[16],及澳大利亞和新西蘭的鋁合金結構標準AS/NZS 1664.1:1997)[17].

Lai 等[18]通過數值計算分析了包含縱向和橫向焊接的工字形和T 形鋁合金壓桿彎曲屈曲和彎扭屈曲.Langseth 等[19]研究了鋁合金方管的軸壓局部屈曲,表明鋁合金材料的應變硬化對屈曲后強度有較大影響.Landolfo 等[20]分析了大長細比鋁合金構件的極限承載力,包括箱型、帽形和槽型截面,研究表明鋁合金和鋼材不同的應變硬化性能導致了屈曲行為的差異,認為采用有效厚度法對截面厚度進行折減缺乏明確物理意義.Hopperstad 等[21]研究了十字形截面的彈塑性屈曲強度,結合切線模量和有效寬度理論,提出了考慮屈曲后強度的計算公式.Rasmussen 等[22]對鋁合金工字形截面和圓管承載力進行了研究,基于Perry-Robertson公式擬合了初始缺陷系數,給出了穩定系數的計算方法.Faella 等[23]進行了6 系鋁合金的短柱試驗得到了彈塑性屈曲應力下對應的應變,提出了考慮板組效應的截面分類方法.Zhu 等[24-27]對兩端固支鋁合金矩形管、方管和圓管開展了試驗和有限元數值的分析驗證,并考慮了橫向焊縫的影響.Mazzolani等[28]通過對角鋁的軸壓試驗,研究了彈塑性局部屈曲,提出了考慮板組相互作用的角鋁截面分類準則.Ashraf 等[29]歸納了鋁合金焊接和非焊接柱的軸壓試驗數據,基于連續強度法,提出了考慮應變硬化的承載力計算公式.Su 等[30]開展了鋁合金方管短柱試驗,擬合了局部屈曲應變和板件長細比之間關系,給出了鋁合金短柱的連續強度法計算公式.隨后,Su 等[31-32]結合有效寬度的概念,將連續強度法推廣至所有長細比范圍的鋁合金壓桿承載力計算,并依據截面的屈曲應力和正則化長細比對鋁合金截面進行分類.需要注意的是,上述連續強度法在計算截面屈曲應力時,并沒有給出顯式的表達式,而是依賴有限條分法或者有限元法進行計算.文獻[33-36]分別對鋁合金異形柱進行了分析,考慮了不同屈曲模態的相互作用,并與直接強度法和各國規范進行比較.文獻[37-39]通過試驗和有限元分析,研究了6082-T6 高強鋁合金圓管、矩形管、角形和H 形截面壓桿的穩定承載力,提出了承載力設計方法.文獻[40-44]研究了側面開洞對鋁合金圓管、方管和矩形管的軸壓承載力影響,結果表明其中開洞對大長細比構件的承載力削弱最為顯著,并依據試驗和有限元分析結果提出了承載力折減系數計算方法.文獻[45-46]進行了7 系高強角鋁的軸壓承載力試驗,研究結果表明短試件表現為局部屈曲破壞,中等長細比試件表現為彎扭失穩,大長細比試件表現為繞弱軸彎曲失穩.Wang 等[47]研究了一端鉸接、一段固支的工字形截面軸壓穩定性,試驗和有限元分析結果表明材料的應變硬化能力越強,各國規范計算結果卻越偏保守;此外還進行了不同溫度對6082-T6 高強鋁合金工字形柱軸壓承載力的影響,提出了承載力的溫度折減系數.Zhu 等[48-50]進行了C 形和卷邊C 形的承載力試驗和有限元參數分析,在歐洲規范的基礎上提出了設計方法,并考慮了高溫對承載力的影響.

國內關于鋁合金結構的研究起步相對較晚,2000 年前后在全國多地建成了鋁合金空間網架結構,如1996 年的天津市平津戰役紀念館、2002 年的上海植物園等[14].2001 年上海市出版了地區的《鋁合金格構結構技術規程》,直到2007 年我國發布《鋁合金結構設計規范》（GB50429-2007）[3].但是,國內當前的鋁合金結構多用于大跨度屋面空間結構和鋁合金人行天橋[51].規范更多是針對民用建筑領域的應用,并不完全符合輸變電工程的實際情況,并且該規范主要是針對5 系和6 系鋁合金的試驗和分析得到的,對于高強鋁合金牌號尚有待補充.

文獻[52-54]較早通過試驗研究了6061-T6 鋁合金圓管和工字形壓桿的整體穩定.沈祖炎等[55]進行了H 形和圓形鋁合金壓桿試驗,分析了材料特性、初偏心、初彎曲和截面形狀對承載力的影響,并基于Perry-Robertson 公式擬合了穩定系數計算公式.楊聯萍等[56]進行了6061-T6 鋁合金工字形和圓管試驗和承載力分析,但是長細比趨近于0 時,其提出的穩定系數公式計算值趨近于0.85,顯得過于保守.金鑫[57]研究了鋁合金材料的本構關系,并基于切線模量理論給出了彈塑性情況下,單軸對稱截面鋁合金壓桿彎曲屈曲和彎扭屈曲的長細比計算公式,最后開展了試驗和有限元分析,給出了計算公式.吳亞舸等[58]依據平衡微分方程,推導了相鄰板件約束對屈曲應力的影響,給出了考慮相鄰板件約束作用的正則化長細比.吳蕓等[59-63]研究了縱向焊接的熱影響區寬度,分析了焊接后的殘余應力,并通過試驗比較了貼腳焊和剖口焊對工字形鋁合金壓桿的承載力影響.董震等[64-65]總結了鋁合金軸壓構件不同屈曲模態的臨界應力計算公式,并在此基礎上給出了薄壁鋁合金構件的直接強度法計算公式;同時也進行了6082-T6 高強鋁合金工字形和箱型截面軸壓試驗,并依據直接強度法公式提出計算公式.王元清等[66]分析了鋁合金板件的局部屈曲,依據鋁合金材料不同的應變硬化能力,給出了考慮板組效應的寬厚比限值.常婷等[67]進行了工字形短柱、中長柱的試驗和有限元分析,對有效厚度法公式提出了修正.鄭韶挺[68]對大規格工字形和矩形鋁合金構件進行了軸壓試驗,結果表明國內鋁合金規范和歐洲規范略偏保守,而美國鋁合金規范對大規格截面型鋼的整體穩定偏于不安全.鄭秀梅[69]進行了方形、圓形、角形、H 形、槽型截面的鋁合金構件軸心受壓試驗,并對國內鋁合金規范公式的系數進行了改進.

3.2 高強鋁合金桿塔整體結構研究

相比于鋁合金構件的研究,針對鋁合金整體結構的研究相對較少.王衍林[11]進行了鋁合金搶修塔試驗研究,指出在設計時應考慮拉線處產生的不平和彎矩的影響.陳駒等[70]分析了鋁合金在輸變電構架中的綜合經濟性.束康[71]采用7 系高強鋁合金進行了塔型比選,結果表明鋁合金桿塔在40～60 m時較為經濟,斜率為85°～87°為宜.伊麗娜等[72]分析了不同風向角作用下,結構采用剛接和鉸接對內力的影響.臧亦天[1]進行了6 系鋁合金桿塔的優化,對于27～39 m 的鋁合金輸電塔,整體寬高比在0.2 左右,上部寬高比在0.02 左右為宜,且當塔腿和邊坡處較為薄弱時,設計時需特別關注.Hu 等[7]分析對比了相同設計條件下的鋁合金桿塔和角鋼塔,結果表明鋁合金桿塔的質量僅為角鋼塔的70%左右.

3.3 問題與研究建議

民用建筑領域鋁合金結構多采用矩形、方形、工字形和圓管等截面形式.但對于輸變電工程而言,特別是輸電塔,角形截面由于其簡單的截面形式和安裝連接的便利性而備受青睞.針對輸變電工程的特點,鋁合金結構可能存在的問題和研究建議如下:

(1)鋁合金構件的彈性模量較低,而角形截面由外伸板件組成,局部穩定性較差,對于鋁合金構件在桿塔中的穩定承載力、長細比限值以及截面的尺寸優化需要進一步研究.

(2)鋁合金彈性模量的降低導致鋁合金結構在荷載作用下可能產生較大的變形,特別對于高聳的輸電塔和外伸的橫擔而言,如何優化結構形式和構件尺寸,在滿足變形要求的情況下,使采用鋁合金結構的桿塔經濟性更優化問題需要深入的分析和研究.

(3)桿塔中的鋁合金構件通常采用螺栓連接,螺栓的數目和節點板的剛度將影響到桿件的端部約束以及內力分布,考慮鋁合金桿塔中端部約束對內力和構件承載力的影響值方面值得進一步分析.

(4)鋁合金材料本身具有較好的耐腐蝕性,但是當節點板或者螺栓采用鋼材時,由于不同金屬材料之間電位差的存在,可能導致電化學腐蝕,因此鋁合金結構的連接方式和材料需要進行針對性分析.

(5)鋁合金結構的延性和曲強比較低,設計時需要考慮結構的變形能力和可靠度.

(6)6 系以上的高強牌號鋁合金材料的性能和構件承載力計算方法需要進一步試驗分析.

(7)鋁合金桿塔的風荷載大小和風荷載作用下的結構失效機理需要厘清.

(8)鋁合金結構由于線膨脹系數是鋼材的2 倍,且熔點較低,其變形和承載力受溫度影響較大,鋁合金在高溫下的承載力以及變形的影響需要深入研究.

4 結論與展望

高強鋁合金結構在民用建筑和一些特殊用途的結構中的應用已經越來越廣泛,而在輸變電工程中的應用仍基本處于空白.本文對高強鋁合金結構在輸變電工程中的應用研究與發展進行了探討,整理分析了國內外采用鋁合金結構的輸變電工程,結合鋁合金材料本身的物理和力學性能,對鋁合金結構在輸變電工程中應用的優缺點進行了分析,并提出了可能存在的問題以及研究建議,以期推動鋁合金結構在輸變電工程中的應用,提高輸變電工程的可靠性和穩定性,實現可持續的長效發展.