高强钢（角钢、钢管） 输电铁塔力学性能试验研究 杨靖波 中国电力科学研究院 2015年10月31日星期六 广东珠海 国内外主要标准中的钢材强度等级 国别 标准编号 钢 号 屈服点/(N/mm2) A36 美国 日本 ASTM A242、A529、A570、A572、A588、 A606、 A607*、A715 JIS G 3101 SS400、SS490、SS540* JIS G 3106 SM 400、SM 490、SM 520、SM 570* JIS G 3444 STK 400、STK 490、STK 540* JIS G 3114 SMA-400W、SMA-400P、SMA-490W、 SMA-490P、SMA-570W*、SMA-570P* JIS G 3129 SH590P*、SH590S* JSS II.
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高强钢（角钢、钢管） 输电铁塔力学性能试验研究 杨靖波 中国电力科学研究院 2015年10月31日星期六 广东珠海 国内外主要标准中的钢材强度等级 国别 标准编号 钢 号 屈服点/(N/mm2) A36 美国 日本 ASTM A242、A529、A570、A572、A588、 A606、 A607*、A715 485 JIS G 3101 SS400、SS490、SS540* 400 JIS G 3106 SM 400、SM 490、SM 520、SM 570* 460 JIS G 3444 STK 400、STK 490、STK 540* 390 JIS G 3114 SMA-400W、SMA-400P、SMA-490W、 SMA-490P、SMA-570W*、SMA-570P* 460 JIS G 3129 SH590P*、SH590S* 440 JSS II 12-1999 JS690S 520 JIS G 3474 STKT 540、STKT 590* 440 JIS G 3223 SFT 590* 440 DL/T 5154-2002 Q235 390 Q345、Q390* 中国 Q235 GB 50017-2003 Q345、Q390、Q420* 420 P1 日本在上世纪80-90年代 相继建成的长度427km 的1000kV特高压同塔双 回线路，其钢管塔主材采 用了屈服强度392MPa的 SS55或STK55钢材。欧、 美国家也采用过屈服强度 450MPa级别的钢材。 2002年，我国500kV吴淞口 黄浦江大跨越钢管塔首次采 用Q390钢材；2005年投运 的官亭-兰州东750kV示范 工程首次使用了Q420高强 度角钢。采用美国标准在国 内生产的屈服强度为450 Mpa的GR65 已用于220kV 钢管杆和500kV变电构架中。 P2 高强度钢材应用于输电铁塔，需要解决的主要技 术问题有：强度和材质等级、规格系列、构件受 力计算方法、连接节点强度匹配、焊接工艺和低 温冷脆等。 P3 《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 51542002）轴心受压构件稳定计算公式中涉及的参数较多，主要 有角钢构件长细比修正系数K，轴心受压构件稳定系数 φ（对 应构件长细比Kλ=KLo/r），压杆稳定强度折减系数 mN。计算 式为： N ( A) mN f 式中： N—— 轴压力设计值，N； φ ——轴心受压构件稳定系数； Α——构件毛截面面积，mm2； mN——压杆稳定强度折减系数； f —— 钢材强度设计值，N/mm2 。 P4 一、轴心受压构件稳定系数φ •轴心受压构件稳定系数φ与材料强度等级、长细比、加工工艺 等有关。 •角钢构件的长细比修正系数K。欧洲、美国在大量理论分析和 试验验证的基础上对不同长细比、不同端部连接方式的受压杆 件提出了6条压力曲线。我国《02规定》中直接引入《美国导 则》的修正系数，只是在后两种作了偏安全的调整。 序号 杆端约束情况 长细比 最小轴修正系数 1 轴心受压 0＜λ＜120 1 2 一端轴心一端偏心 0＜λ＜120 0.75+30/λ 3 两端偏心 0＜λ＜120 0.5+60/λ 4 两端无约束 220≥λ≥120 1 5 一端有约束一端无约束 231≥λ≥120 0.9+11.89/λ 6 两端有约束 242≥λ≥120 0.82+21.64/λ P5 为了验证《 02规定》承载力的计算方法是否适 用于高强钢构件，采用试验研究并辅助有限元计算， 提出设计计算方法及建议。 P6 （1）Q420角钢试验研究 采用部件试验与模型塔架试验相互验证的 方法进行杆件承载力的试验研究，模拟了两端 轴心、一端偏心、两端偏心、两端无约束、一 端约束、两端约束六种边界条件。 P7 图1 部件试验装置 图3 两端偏心受压试验试件破坏状态 图2 两端轴心受压试验试件破坏状态 图4 一端轴心、一端偏心受压试验试件破坏状态 P8 图5 部件试验装置 图7 模型塔架主材局部破坏状态 图6 模型塔架试验装置 P9 试验结果表明，Q420高强钢单角钢采用《02规定》 关于角钢受压构件长细比修正系数K 的规定有一定 裕度，是安全的。 （1）当构件长细比λ小于40时，构件由强度控制， 采用Q420角钢选材，构件规格得到较大降低； （2）当构件长细比λ在40～80之间时，构件由稳定 控制，可采用Q420角钢选材，但规格大都只能降一 级； （3）当构件长细比λ大于80时，构件由稳定控制， 不宜采用Q420角钢选材。 P10 （2）Q460角钢试验研究 采用现行钢结构柱子曲线的分析方法（逆算单元长度法）， 编制程序计算Q460等边角钢轴心受压构件的承载力柱子曲线。 Q460等边角钢柱子曲线与现行《钢结构设计规范》中的b类 曲线数值接近。 ψ 1.2 1 拟合曲线 规范a类 规范b类 规范c类 规范d类 0.8 0.6 0.4 0.2 λ 0 0 50 100 150 200 250 300 图8 计算的稳定系数曲线与现行规范的各稳定系数曲线 P11 对于角钢受压构件长细比修正系数K，考虑两端轴心受压（见 图9）和两端偏心受压（见图10 ）两种条件。 图9 两端轴心受压试件试验破坏状态 图10 两端偏心受压试件试验破坏状态 P12 Q460轴心受压杆实测荷载均值与理论计算承载力比较 试件 编号 材质/规格 长细比 最小轴 iy 理论承载力（kN） 美国 02 导则 规定 实测荷 载均值 理论/实测 美国 导则 02 规定 ZHX125A Q460L125×10 44.9 iy 1160.5 1056.1 1110.0 1.05 0.95 ZHX125B Q460L125×10 60.03 iy 1013.4 884.7 913.3 1.11 0.97 ZHX125C Q460L125×10 80.00 iy 750.5 644.8 953.3 0.79 0.68 ZHX125D Q460L125×10 100.0 iy 470.9 462.4 743.3 0.63 0.62 ZHX125E Q460L125×10 119.97 iy 327.3 340.8 560.0 0.58 0.61 可以看出：采用《02规定》方法计算轴心受压杆件，长细 比在60以下，计算结果与实际接近；长细比60以上，与试验 结果相比，计算结果裕度较大，偏于安全。 《02规定》中的 计算方法对高强钢轴心受压构件是适用的。 P13 Q460偏心受压杆实测荷载均值与理论计算承载力比较 理论承载力（kN） 试件 材质 编号 规格 最小轴 iy 原始 长细比 结果比较（同换算值 换算荷 比较） 载值 美国 导则 02 规 定 （kN） 美国导则 02 规 定 PX140C L140×12 iy 79.9 642.0 516.5 562.3 9.78 -8.14 PX140D L140×12 iy 99.9 530.5 441.3 488.9 4.29 -9.75 PX140E L140×12 iy 119.7 446.5 380.7 374.8 14.46 1.58 从表中可知，现行《02规定》对高强钢构件偏心受压的计算 方法是适用的。 P14 （3）高强钢管试验研究 高强钢管轴心受压试验中分别取长细比20～120的 420Φ273×6、Q460Φ356×10直缝钢管。 均为中部屈曲，整 体失稳破坏。 Q420直缝钢管的失稳破坏模式 Q460直缝钢管的失稳破坏模式 P15 1.000 0.900 规范b类截面 规范a类截面 实测值 有限元值 0.800 稳定系数φ 0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 长细比 图10 Q420钢管轴心受压柱子曲线试验、规范和有限元比较 Q420钢管轴心受压试验数据和有限元分析得到的高强钢管柱 子曲线高于现有《钢结构设计规范》中b类截面柱子曲线，总 体介于a类与b类截面柱子曲线之间。 P16 Q460钢管试验实测值、规范计算值（b类截面）与ANSYS计算值比较 编号 实测值 Pexp （kN） 规范计算值 Pfea（kN） ANSYS 值 Pcode（kN） Pexp/Pfea Pexp/Pcode Q460-Q22-1 Q460-Q22-2 4623.34 3978.98 3706.5 3652.45 4254 3883.9 1.24 1.09 1.08 1.02 根据试验数据和有限元分析数据， Q460高强直缝钢管的 试验值高于按现有《钢结构设计规范》b类截面柱子曲线 计算值。 现行规范柱子曲线适用于Q420和Q460高强直缝钢管荷载 的计算。 P17 二、压杆稳定强度折减系数 （1）角钢构件 压杆稳定强度折减系数的计算方法目前不统一，《02规 定》中角钢轴压杆稳定强度的折减系数与构件的长细比x关 系没有体现；《钢结构设计规范》则考虑了长细比的影响。 《02规定》根据翼缘板自由外伸宽度b与厚度t之比计算 确定： 当 b b 202 时， mN 1.0 t t lim f b/t 202 b 363 m 1 . 677 0 . 677 当 时， N (b / t ) lim f t f P18 《钢结构设计规范》第5.4.1条： b 235 (10 0.1 ) t fy 式中 λ——构件两方向长细比的较大值；当λ<30时，取λ=30； 当 λ>100时，取λ=100。 按《02规定》计算 ，主材采用高强度热轧等边角钢后，部分 角钢宽厚比超限。表中列出了稳定强度折减较大的Q420角钢规格 与Q345角钢对比，热轧等边角钢因强度的提高使得一些规格使用 受限。 为反映构件的实际受力特性，是否考虑构件长细比x对肢宽 受限的角钢承载力有影响，需要研究 。 Q345、Q420不同截面尺寸等边角钢的折减系数对比 角钢规格 压杆稳定强度折减系数 Q345 Q420 L125×8 0.92 0.84 L140×10 0.99 0.92 L160×10 0.89 0.80 L180×12 0.93 0.85 L200×14 0.97 0.89 P19 （2）钢管构件 《02规定》根据外径Do与壁厚t之比计算确定： 当 DO 24100 t f 当 DO 24100 76130 t f f 时， mN 1.0 时， mN 0.750 6025 ( DO / t ) f 《钢结构设计规范》规定，钢管的径厚比取值应符合下式 D 23500 t fy 受压钢管构件的稳定强度要满足管壁局部屈曲稳定要求， 就需在径厚比限值范围内使用，而径厚比限值国内外规范的 规定均不相同，哪种规定适合国内使用需要研究。 P20 （1）Q420角钢构件局部屈曲试验研究 试验选取较大（即稳定计算值折减幅度较大）的5种截面角钢：L125×8、 L140×10、L160×10、L180×12和L200×14为试验研究对象，采用 长细比x=10～80（弱轴方向）。试件典型破坏模式如图12—图14所示。 双波形局部屈曲模态 单波局部屈曲模态 图12 长细比x=10的角钢柱子失稳破坏模式 P21 图13 长细比x=50的角钢柱子失稳破坏模式 P22 图14 长细比x=80的角钢柱子失稳破坏模式 对于短柱（长细比x=10），L125×8截面构件为双波形 局部屈曲模态，其他所有截面的试件均为单波局部屈曲模态。 随着试件长细比增大，失稳模态逐渐统一为弯扭失稳，扭转 出现位置随机，可能在柱中或靠近端部。 P23 （2）Q460角钢构件局部屈曲试验研究 破坏模式与Q420角钢试件基本相同，对于长柱（长细比x=80和100） 最终扭转出现的位置大多出现在中部。 图15 长细比λ＝30的失稳破坏模式 图16 长细比λ＝45的失稳破坏模式 P24 图17 λ＝60 图18 λ＝70 图19 λ＝80 图20 λ＝100 P25 （3）高强角钢轴压强度折减系数修正公式 试验及有限元分析结果均表明，宽厚比超限的角钢轴压 杆稳定强度的折减系数与构件的长细比x有直接的关系。 综合考虑局部屈曲折减系数和长细比对承载力的影响， 参考现行标准《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中对 轴心受压构件截面宽厚比的限值规定，对《02规定》中的折 减方法进行修正： 当 当 b b 235 (10 0.1 ) t t lim fy b 380 b fy t lim t 时， mN 1.0 时， mN 1.677 0.677 b/t (b / t ) lim 其中当<30时取30，当>100时取100。 P26 三、高强钢杆塔强度真型试验 （1）西北750kV官亭-兰州东Q420角钢塔 JG2转角塔于2004年进行了真型塔试验。当试验塔90度 大风超载加荷到130%瞬间时塔身主材破坏。 P27 （2）1000kV特高压交流试验示范工程Q420角钢塔 ZM2直线塔顺利通过断线、安装及正常运行共13个工况 的强度试验；60°大风超载工况，当试验加荷至设计荷载 的120%～125%时，铁塔破坏首先部分是瓶口下第一个节 间。 J1真型试验塔顺利通过断线、安装及正常运行共12个工 况的强度试验；90°大风超载工况，当试验加荷至设计荷 载的130%～135%时，中导挂点下节间K型材压屈。 塔型 呼高 塔重(t) Q420高强钢 用量(t) 高强钢用量比例 降低塔重百 分比（％） ZM2 59 60 11.8 20% 4.5 90 20.4+2.1 25% 8.7 J1 45 P28 ZM2直线塔 P29 J1转角塔 P30 ZM2直线塔主材的最大规格为L200×20的Q420角钢；由于 我国最大规格的L200×24角钢承载力已不能满足要求，J1 转角塔主材采用了L180×16的双拼Q420角钢。 欧美最大规格为L250×35。高强度单角钢最大承载力约为 我国的两倍。 P31 （3）平顶山～洛南500kV 线路Q460角钢塔 平顶山～洛南500kV 线路中试用Q460 高强钢铁塔，为 国内首次，两种塔型SZ1 和SZ2共应用了53 基Q460 高强钢 铁塔。 2007年8 月17 日，SZ1-33塔顺利通过60 度大风工况 100%荷载真型试验。在由115%向120%超载时，铁塔发 生整体破坏，与理论计算较为吻合。 P32 图26 Q460 角钢塔60 度大风115%超载试验 图27 Q460 角钢塔60 度大风超载试验破坏瞬间 P33 （4）锦屏～苏南±800kV特高压直流Q420角钢塔 JC1塔整塔采用角钢结构，第一次设计时铁塔变坡以下 部位的主材采用双拼组合角钢；第二次设计时铁塔变坡以下 部位的主材采用大规格Q420角钢，相应的塔身辅助材进行了 重新的布置，设计荷载完全相同，两次均进行了真型塔试验。 P34 第一次设计铁塔的真型试验 主材采用双拼组合角钢的JC1转角塔通过了13个工况的 100%设计荷载测试，其中45°大风，转角20°（超载） 工况荷载加至105%时，屈曲破坏 。 图23 主材采用双拼角钢的JC1转角塔超载到 图23 JC1转角塔超载到105%时塔腿主材屈 曲情况 105%时塔腿主材屈服位置 P35 第二次设计铁塔的真型试验 JC1大截面角钢塔顺利通过13个工况100%荷载试验，其中 工况一（45°大风，转角20°）荷载超载到130%时，铁塔 各部杆件未见异常。 通过试验可知: 1）通过计算分析，双拼角钢结构 改为单肢大规格角钢，可节省 塔材5%左右（实际塔型会有 差别）。铁塔呼高越高，应用 大规格角钢越多，优越性越明 显。 2）由于大量节省填板(一部分需 要焊接)和螺栓数量，加工和 安装更方便易行，而且质量更 有保证。 3）单肢大规格角钢较组合角钢传 力简洁，避免了组合构件受力 不均的问题，安全更有保障。P36 （5） 750kV酒泉～安西Q420同塔双回钢管塔 750kV酒泉～安西双回送电线路工程在31m/s以上的大 风区应用钢管塔23基。钢管塔主材采用Q420C高强度钢材， 法兰采用Q420高强带颈锻造法兰。 2009年11月28日至12月1日，SJ2钢管塔在特高压杆 塔试验基地完成真型试验。12月1日进行了90°大风超载工 况的试验，试验加荷至设计荷载的120%，未破坏，结束试 验。 P37 图28 750kV酒泉～安西双回送电线路工程钢管塔真型试验 P38 （6）1000kV特高压交流双回Q460钢管塔 2010年1月16日~20日，国内第一基1000kV同塔双回 Q460钢管塔真型试验在特高压杆塔试验基地完成。钢管塔主 材采用Q460高强钢管和Q460带颈对焊锻造法兰连接，在国 内均为首次。 P39 图31 1000kV皖电东送工程Q460钢管塔真型试验 P40 真型试验发现的问题 （1）双拼角钢主材受力不均，提前破坏。 （2）高强钢管径厚比合理限值，是否允许构件最外 受压边缘纤维计算应力可以达到其屈服强度（欧 洲规范的第三类截面 ）。 P41 英国、欧洲的第3类截面和日本、我国规范限值 规程 强度 345 420 460 英国规程 63.8 52.4 47.8 欧洲规程 61.3 50.4 46.0 日本规程 69.5 57.1 52.2 中国规程 68.1 56.0 51.1 钢管径厚比限值建议 钢管强度 345 420 460 推荐取值 55 50 45 P42 总 结 1、高强钢在输电线路中应用的主要技术问题基本 得到解决，工程应用取得了规模和效益 自2006年至2009年底，国家电网公司系统应用Q420 约40万吨，Q460约500吨。 2006年九条试点线路总长度共计964公里，采用高强 钢的铁塔共计4.63万吨，其中Q420高强钢角钢9800吨， Q420钢板938吨，节省造价约560万元。 2007年特高压试验示范工程全线Q420角钢塔，3万余 吨。 P43 •在角钢塔方面，相对Q345角钢，使用Q420角钢可有效减 轻塔材重量6～8%，节省整体造价2%～6%；使用Q460 角钢可有效减轻塔材重量 8～12%，节省整体造价5%～ 8%。 •大规格Q420角钢在锦屏-苏南特高压直流工程中应用的经济 性分析表明：采用大规格Q420角钢替代组合角钢可以节约钢 材5%左右。 •在钢管塔方面，相对Q345角钢塔，采用钢管塔可节约塔材 15％左右。与Q345钢管塔相比，采用Q420高强钢管塔可减 轻塔重6%左右，采用Q460高强钢塔可减轻塔重8%左右。 P44 2、需要继续关注问题，挖掘最大技术和经济潜力 双拼角钢的承载力计算及构造 大规格角钢的深化研究和应用 高强钢管径厚比的合理取值（压弯构件） P45 汇报结束 谢谢！