高强钢在110kV输电线路铁塔上的应用

高强钢在110kV输电线路铁塔上的应用

赣州宏远电力勘测设计院

【 摘 要 】 高强钢在输电线路上的应用为降低铁塔钢材用量和工程造价、减小输电线路建设对社会影响、减少资源消耗等创造了条件，对深入贯彻、实施输电线路的全寿命周期管理具有积极意义。本文结合工程特点，对高强钢的应用，进行合理的分析。 【 关键词 】 高强钢 铁塔 经济合理 分析 0 引言

目前110kV线路铁塔主材设计常采用Q345钢，对于双回路大转角和终端塔，一般受力较大，所用的主材尺寸较大，导致塔身的受风面积大，连接板尺寸大，从而增加杆塔指标；在运输方面，由于其重量大，给山地杆塔运输带来较大困难。安远版石110kV输电线路工程中，应用塔型主要有直线塔：AB-ZM、AB-SZ系列，转角塔有AB-J、AB-SJ系列。对于双回路大转角和终端塔（ABⅠ-SJ4及ABⅠ-SJ5），主材采用Q420高强钢代替Q345钢，减小主材尺寸和重量，相应地减小施工运输难度。塔身主材连接一般采用6.8级的M20和M24螺栓连接，连接螺栓数量多，连接板面积大。本设计方案塔材连接采用8.8级螺栓代替6.8级的螺栓，虽然其价格比6.8级的螺栓高1.10倍左右，单其抗剪强度比6.8级的螺栓高1.25倍，可以减少螺栓数量和连接板的面积，相应地减小了塔身的受风面积。总体比较可以减少螺栓的重量和连接板重量，降低杆塔的造价。 1 高强度钢Q420 1.1 高强度钢Q420概述

根据我国《钢结构设计规范》GB50017-2003 ，Q420钢材强度比Q345提高了22.6%，为输电线路铁塔设计采用Q420钢材指标提供了有力支撑，从技术角度讲使用高强度钢材是完全可行的。目前国内有部分线路杆塔已使用Q420钢，实际运行方面来讲也是可行。在110kV线路工程中，大转角耐张塔和终端塔采用Q420钢材设计，虽然其价格大约比Q345高出10%左右，但强度要增加22.6%，可使铁塔主材部分费用节省4%左右。所以在线路工程杆塔设计中，对于大转角耐张塔和终端塔的主材采用Q420钢材是经济合理的。 1.2 各种钢材的强度设计值

由于《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）中未有Q420高强钢的规定，因此我们参考《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中的有关规定，并把各种钢材和螺栓的强度设计值汇总列于下表。

表2.2 钢材、螺栓的强度设计值表（N/mm）

2

1

材 料 厚度或直径 类 别 mm ≤16 Q235 ＞16－40 ＞40－60 ≤16 Q345 ＞16－35 ＞35－50 钢 材 Q390 ≤16 ＞16－35 ＞35－50 ≤16 ＞16－35 Q420 ＞35－50 ＞50－100 4.8 镀锌粗制 螺 栓 5.8 6.8 8.8 10.9

抗拉、抗压和抗弯 f 215 205 200 310 295 265 350 335 315 380 360 340 325 200 240 300 400 500 抗 剪 fv 125 120 115 180 170 155 205 190 180 220 210 195 185 170 210 240 300 380 孔壁/螺栓杆壁承压 fc 370 510 490 470 530 510 480 560 － － － － － － － － 1.3 举例比较

以长1500mm，L160x16角钢，中心受压主材为例，不同强度等级钢材的承载力对比如下表：

钢材品种 Q235 Q345 Q390 Q420 φ 0.868 0.8180 0.7995 0.7860 承载力（kN） 915.688 1244.241 1373.017 1465.533 强度比值 1 1.47 1.66 1.79 承力比值 1 1.355 1.499 1.600 从表中可以看出，同样计算长度，同样尺寸的Q420钢材强度是 Q345钢材1.22倍。稳定承载力是Q345钢材1.18倍。

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1.4 高强钢Q420在本设计方案中的应用

由于Q420高强钢的主材角钢型号在L140×10以上，而本设计方案单回路直线塔、单回路转角塔和双回路直线塔采用的主材在L140×10以下，所以不需要采用Q420高强钢代替Q345钢。双回路转角塔和终端塔主材型号较大，主材角钢型号一般在L160×10以上，所以对于双回路转角塔和终端塔主材采用Q420高强钢进行设计，具有较明显的经济效果。本设计方案对双回路转角塔（ABⅠ-SJ4）和终端塔（ABⅠ-SJ5）角钢型号在L140×10以上的主材采用Q420高强钢进行改造设计。现取本设计方案中ABⅠ-SJ5终端塔为例，进行Q420高强钢进行改造设计和经济指标分析。 1.4.1强度验算

目前《架空线路杆塔结构设计技术规定》中没有对Q420高强钢稳定系数作出规定，我们参考《钢结构设计规范》进行验算。 公式：

N?m?f；An为构件的净面积 Anm为构件的强度折减系数：

受拉构件：双肢连接角钢取1.0；单肢连接角钢（肢宽＞40mm）取0.7 受压构件：单肢连接角钢（肢宽≤40mm）取0.55

双肢连接角钢取1.0；单肢连接角钢取0.85

表2.4.1-1 杆件受拉、受压的强度计算表

主材 段号 3 4 5 12 主材型号 原方案 本设计方案 原方案 本设计方案 原方案 本设计方案 原方案 本设计方案 L160×14 L160×12 L180×14 L160×14 L180×14 L160×14 L200×14 L160×16 强度 等级 Q345 Q420 Q345 Q420 Q345 Q420 Q345 Q420 截面净面积（cm） 37.276 32.28 42.876 37.276 42.876 37.276 48.622 42.187 2最大承载力（KN） 1155.5 1258.9 1329.2 1453.8 1329.2 1453.8 1507.3 1645.3 通过计算，采用Q420的钢材尺寸比Q345小，但强度比Q345的钢材大，满足强度要求。 1.4.2 受压构件稳定计算

公式：

lN?mN?f；杆件长细比??0，?y0角钢的回转半径； (?A)?y0稳定系数?：根据K?查《规范》附录D表D9；

3

mN取值：当

?b202时，mN?1.0 ?()lim?ttf当

202b363b/t时，mN?1.677?0.677?） ??(b/t)limtff表2.4.2 杆件受压稳定强度计算表

主材段号 3 4 5 12 主材型号 原方案 本设计方案 原方案 本设计方案 原方案 本设计方案 原方案 本设计方案 强度 截面面积2等级 （mm） 43.296 37.441 48.896 43.296 48.896 43.296 54.642 49.067 回转半计算长径（cm） 度（m） 3.16 3.18 3.57 3.16 3.57 3.16 3.98 3.14 1.251 1.251 1.305 1.305 1.506 1.506 1.503 1.503 稳定 承载力系数 （KN） 0.863 0.807 0.879 0.828 0.852 0.802 0.874 0.797 1158 1178 1332 1398 1291 1354 1480 1525 L160×14 Q345 L160×12 Q420 L180×14 Q345 L160×14 Q420 L180×14 Q345 L160×14 Q420 L200×14 Q345 L160×16 Q420 通过计算，采用Q420的钢材的尺寸比Q345的钢材小，稳定强度比Q345的钢材大，满足稳定要求。

1.4.3 经济指标对比

通过以上计算，采用相应的Q420的钢材型号代替Q345的钢材结构强度和稳定验算都满足要求。现把Q420 和Q345所对应的主材重量进行分析对比，列于下表。

表2.4.3 使用Q345与Q420材质对应主材重量比较表

Q420 塔型 主材规格 160×12 ABⅠ-SJ5-27 160×14 160×16 重量合计 材料费 重量降幅 造价比较 铁塔重量（kg） 871.0 890.5 2794.6 4556.1 4.51万元 16.4％ 0.89万元 主材规格 160×14 180×14 200×14 铁塔重量（kg） 1007.4 2679.6 1765.8 5452.8 5.40万元 Q345 通过以上计算分析，在本设计方案中，对于双回路转角塔和终端塔采用Q420高强钢代替Q345钢，在结构设计满足安全要求的条件下，可以有效降低钢材用量。其中，节省主材钢材用量占改造前主材（Q345）16.4％左右，整基塔钢材材料费节省了0.89万元左右。

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2 高强度螺栓 2.1 高强度螺栓概述

8.8级高强螺栓抗剪强度设计值比6.8级螺栓高1.25倍。在杆塔主材连接部位采用8.8级螺栓，可以减少螺栓数量和构件的孔数，同时也相应减小连接板的面积和重量，降低钢材用量；在斜材和辅助材连接部位，由于其作用力小，同时考虑到钢材的孔壁承压强度，采用4.8级和6.8级螺栓已满足受力要求，不需要使用8.8级螺栓；10.9级螺栓虽然抗剪强度比6.8级螺栓高1.58倍由于脆性较大，但在加工、镀锌等工艺上目前较为不成熟，生产质量较不稳定，同时考虑到本工程杆塔作用力相对较小，使用10.9级螺栓经济效果不明显，本设计方案不推荐采用。综合上述，在本设计方案中，杆塔的主材连接推荐采用8.8级螺栓。 2.2 高强度螺栓使用范围

塔身构件连接部位不仅由螺栓抗剪强度控制，同时也必须考虑主构件的孔壁承压强度。对于厚度较小的角钢，其连接部位强度由孔壁承压强度控制；对于厚度较大的角钢，其连接部位强度由孔壁承压强度控制；下面列表对螺栓抗剪强度和孔壁承压强度进行比较分析。

表3.2-1 M20螺栓孔壁承压与螺栓单剪强度表

螺材料 栓 单剪强度(KN) 孔壁承载力(KN) 角钢厚度(mm) 4 5 6 7 8 10 12 14 16 4.8 53.4 Q345 6.8 75.4 40.8 51.0 61.3 71.4 81.6 102.0 122.4 142.8 163.3 8.8 94.2 4.8 53.4 Q420 6.8 75.4 44.8 56.0 67.2 78.4 89.6 112.0 134.4 156.8 179.3 8.8 94.2

表3.2-2 M24螺栓孔壁承压与螺栓单剪强度表

螺材料 栓 单剪强度(KN) 孔壁承载力(KN) 角钢厚度(mm) 4 5 6 7 8 10 12 14 16 5

4.8 76.9 Q345 6.8 108.6 48.9 61.2 73.5 85.7 98.0 122.4 146.9 171.3 195.9 8.8 135.7 4.8 76.9 Q420 6.8 108.6 53.8 67.2 80.6 94.1 107.5 134.4 161.3 188.2 207.4 8.8 135.7 通过上表分析得知：对于Q345高强钢，螺栓采用8.8级，主材厚度≥10mm时，其连接部分强度由螺栓抗剪强度和螺栓数量控制；对于Q420高强钢，螺栓采用8.8级，主材厚度≥12mm时，其连接部分由螺栓抗剪强度和螺栓数量控制；在本设计方案中，主材采用Q345,主材厚度≥8mm时，可以采用8.8级代替6.8级螺栓；主材采用Q420,主材厚度≥12mm时，可以采用8.8级代替6.8级螺栓；

2.3 高强度8.8级螺栓在本设计方案的应用

本设计方案直线塔（AB-ZM、AB-SZ系列）和单回路转角塔（AB-J系列）主材连接采用6～12个M20螺栓；双回路转角塔（AB-SJ系列）主材连接采用6～18个M20螺栓； 6.8级和8.8级M20螺栓单剪强度分别为75.4KN和94.2KN。M20×50螺栓单个重量0.25kg。6.8级和8.8级螺栓单价分别为10.8元/kg和11.8元/kg；我们对螺栓个数、单剪强度、抗剪承载力和重量四者进行分析对比。

表3.3-1 螺栓使用数量对比表

型号 M20 M20 M20 M20 M20 M20 M20 6.8级螺栓 数量 单剪承载力（KN） （个） 75.4 75.4 75.4 75.4 75.4 75.4 75.4 6 8 10 12 14 16 18 抗剪承载力（KN） 452.4 603.2 754.0 904.8 1055.6 1206.4 1357.2 8.8级螺栓抗剪承载力等效数量（个） 452.4/94.2=4.8 603.2/94.2=6.4 754.0/94.2=8 904.8/94.2=9.6 1055.6/94.2=11.2 1206.4/94.2=12.8 1357.2/94.2=14.4 8.8级螺栓使用数量 6 8 8 10 12 14 16 注：塔身主材连接采用双肢连接，每肢螺栓数量必须相同。

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表3.3-2 经济指标对比表

数量（个） 6.8级 重量（kg） 材料费（元） 数量（个） 8.8级 重量（kg） 材料费（元） 比例 通过以上分析得知：

1）主材连接螺栓M20数量＜10个时，采用8.8级高强螺栓反而更不经济；

2）主材连接螺栓M20数量≥10个时，采用8.8级高强螺栓代替6.8级螺栓，可节省螺栓材料费占改造前(6.8级)的3％～12.6％；

3）采用8.8级高强螺栓代替6.8级螺栓，螺栓数量减少，相应的连接部位节点板尺寸也变小，可以节省节点板重量。 3 结论

1） Q420高强钢的使用：双回路转角塔和终端塔主材采用Q420高强钢代替Q345钢，在满足受压强度、受拉强度和受压稳定的情况下，采用的角钢尺寸比Q345钢小，重量轻，可节省钢材重量占改造前主材（Q345）的16.4％左右，整基塔钢材材料费节省了5％左右。同时材料量的降低也会带来加工、运输、安装等工序工作量的降低，特别是山区线路，降低劳动强度，缩短施工工期。

2） 8.8级高强螺栓的使用：杆塔主材连接M20螺栓≥10个时，采用8.8级螺栓代替6.8级螺栓，节省主材螺栓材料费占改造前（6.8级）4％～13％。同时相应地节省了节点板重量。

所以在本设计方案中，主材受力大的双回路转角塔和终端塔采用Q420高强钢和主材连接螺栓M20数量≥10个时采用8.8级高强螺栓是经济合理的。

参考文献

[ 1 ] 张殿生.电力工程高压送点线路设计手册（第二版）.北京：中国电力出版社 [ 2 ] GB50017-2003 钢结构设计规范

6 1.5 16.2 6 1.5 17.7 1.09 8 2 21.6 8 2 23.6 1.09 10 2.5 27.0 8 2 23.6 0.874 12 3 32.4 10 2.5 29.5 0.91 14 3.5 37.8 12 3 35.4 0.937 16 4 43.2 14 3.5 41.3 18 4.5 48.6 16 4 47.2 0.956 0.971 作者简介

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5oz.html