侯森超
河南鼎力杆塔股份有限公司 河南省 驻马店 463900
试验研究及有限元分析证明：现有的高架柱与人字柱常规连接节点设计具有足够的刚性。通过研究分析总结并归纳出：钢管管壁局部稳定理论公式、常规设计节点加劲肋稳定计算公式，使今后的节点优化和设计有了理论依据和计算手段，填补了该节点设计在理论研究上的空白。研究分析提出：角钢与钢管当长细比在一定区间内时均宜采用高强钢。研究论证表明：Q420钢材在制造、采购、焊接、热变形加工等方面均已具备了工程应用条件，并具有较好的经济适用性。
基于以上各项研究成果，报告最终提出变电站工程应大力推广采用Q420构架的建议。
关键词： 变电构架；Q420钢管；试验研究；
1.高强钢应用概述
1.1变电构架应用高强钢的目的和意义
随着我国电网建设的飞速发展，500kV、220 kV变电站正在大量地建设，同时，1000kV特高压变电站的开始起步建设，全钢结构构架已逐步成为我国变电站构架结构的主流。因此变电站的钢材用量在不断递增，工程造价也随之上涨。
目前我国变电站钢结构用材主要以Q235和Q345热轧钢材为主，与国外先进国家相比，我国变电站构架所用钢材的材质单一、强度值偏低、材质的可选择余地小。在现有设计理论的前提下，如果继续采用常规设计用的钢材，已很难达到进一步降低用钢量、降低工程造价的目的。因此，为了提高电力建设经济效益和设计技术水平，采用高强钢材进行优化设计已显得十分必要。
1.2高强钢在输、变电工程中的应用情况
随着我国冶金工业的快速发展，对于大型钢铁企业而言，高强度钢材的生产质量及生产数量不存在技术上规模上的问题；对于大型钢构架生产企业而言，高强度钢材的热加工、焊接及加工数量也不存在技术上、规模上的问题。这在一定程度上为高强钢在输、变电工程中的应用提供了可能和机遇。
近年来，国内电网工程中已陆续出现高强钢应用的实例。2002 年华东电力设计院设计的500kV 黄浦江吴淞口大跨越工程跨越钢管塔首次采用了Q390 钢材，主要用在塔身下面四段主材，该跨越塔塔高177.5m，管径1000mm，壁厚24mm；上海维蒙特工业(中国)有限公司采用美国标准ASTM A572 GR65在上海宝钢生产了屈服强度为450 Mpa 的钢材，2007 年已用于长沙东、福建大园500kV变电站的500kV、220kV构架；2005 年，在750kV 官亭—兰州东输电线路中，采用了Q420 高强角钢，并且通过了真型试验；2007~2008 年，我院在平顶山～洛南、华豫电厂～信阳变、禹州电厂～许昌500kV输电线路中，采用了Q460 高强角钢，并且通过了真型试验。
随着高强钢在电网工程中的推广应用，许多大型钢构架生产企业开始加工高强钢材并获得了相关经验，河南鼎力杆塔股份有限公司、常熟市铁塔厂、青岛武晓铁塔有限公司、南京江标集团有限责任公司等企业都有加工业绩。
然而，高强钢在变电构架中的应用成果相对较少，在这方面的系统研究则更显不足。
1.3高强钢在变电构架中的应用研究
高强钢在变电构架中的应用迟迟得不到推广，一方面是因为变电构架的联合计算复杂，同时节点受力状态复杂；另一方面是因为变电站构架采用高强钢尚未形成规模，材料种类多，价格高且采购困难。
为加速推广高强钢在我国变电构架中的应用以及为高强钢在变电构架中的应用提供理论基础和技术支撑，河南电力勘测设计院与西安建筑科技大学合作，进行了高强钢在变电构架中的应用系列研究。通过研究，拟达到以下目的：对构架整体进行精细化设计，根据杆件的自身条件、受力特点，合理选用高强钢材，减少构件规格，以便钢厂实现规模化生产，降低成本；对构架节点进行精细化设计，根据节点板的自身条件、受力特点，合理选用高强钢材，减小、减薄节点板规格，减少用钢量。根据以上目的，本课题研究成果共分为五部分。
缝或直焊缝钢管。热轧角钢一般用于桁架梁的腹杆，偶尔用于格构人字柱的交叉腹杆，一般将其视为轴心受力构件；热轧无缝钢管一般用于桁架梁的弦杆，一般将其视为轴心受力构件；直焊缝钢管一般用于人字柱，一般将其视为偏心受力构件。
钢管在轴心及偏心受压情况下受力特性不同，因此需要对高强角钢、钢管在变电构架中的适用性进行分析。
本报告应用中美有关设计规范对Q235~Q420牌号轴心受压角钢、钢管在变电构架中的适用性进行分析；应用中国规范对Q235~Q420牌号压弯及受弯钢管在变电构件中的适用性进行分析，探讨不同牌号角钢、钢管适宜选用的宽厚比（径厚比）和长细比。
2.变电构架节点采用高强钢的适用性分析
2.1高架柱与人字柱连接节点受力性能试验研究
2.2高架柱与人字柱连接节点的受力性能有限元研究
梁柱连接节点（节点A）极限承载力有限元分析
2.3人字柱与母线横梁的连接节点（节点B）极限承载力计算分析
2.4梁与斜撑的连接节点（节点C）极限承载力计算分析
3.变电构架构件采用高强钢的适用性统计
4.高强钢采购、加工、焊接能力及价格调研
4.1高强钢的采购、加工能力及价格调研
4.1.1Q420高强钢的采购
1、钢材供应商调研
Q420钢与普通钢相比，差别在于熔炼配方成分，加工工艺过程中温度控制不同。中厚板轧制机组、热连轧机组等均能满足Q420高强钢的生产，各项指标满足GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》标准。国家大型钢铁企业对于Q420钢的生产能力巨大，由于市场的需求量小，所以厂家根据市场的需求，限量生产Q420钢板。
2、Q420高强钢的采购
生产厂家产品制作在长度、宽度等方面均要依据按照图纸采购，单一品种需求量相对较少，钢厂无法满足这些具体要求，主要通过中间代理商采购钢材。许多供应商敏锐的捕捉Q420高强钢推广的商机，近两年市场上出现了一些专营高强度钢板商，如湖北明盛工贸有限公司Q420钢板库存量均在10000吨/月以上，各类板材齐全。
5.变电构架的技术经济分析
5.1220kV构架常规方案技术经济分析
5.2500kV联合构架常规方案技术经济分析
5.3500kV联合构架优化方案技术经济分析
6.结论和建议
6.1高强钢的生产及采购
1）武汉钢铁股份有限公司、安阳钢铁股份有限公司、邯郸钢铁集团有限责任公司、济南钢铁集团总公司的月生产能力、钢材的质量、钢板的加工范围，均可满足国家电网变电站建设的需求。
2）生产厂家产品制作在长度、宽度等方面均要依据按照图纸采购，单一品种需求量相对较少，钢厂无法满足这些具体要求，主要通过中间代理商采购钢材。
3）钢材供货商提供的Q420价格比Q235贵600~700元，比Q345贵500~600元，高强钢推广应用后，价差可控制在400元以内。
6.2焊接
1）从Q420高强钢板的材料检验看，国内生产的Q420高强钢板质量稳定，符合国家标准，尤其是冲击功试验，远远大于国标要求的使用工作温度。
2）Q420高强钢板碳当量低，焊接性能良好，焊前不需预热。
3）从焊接材料性能试验结果看，所选用的焊接材料满足Q420高强钢板的焊接要求，焊接Q420高强钢板可选用55级别的焊接材料。
4）通过对 Q420钢材按照JGJ81-2002标准中的要求进行了CO2气保焊的焊接工艺评定，满足规范要求；
5）依据焊接工艺评定结果编制的焊接工艺评定报告和相应的典型焊接工艺卡，可以指导变电构架的焊接工作。
参 考 文 献
(以下由杨光完成`)
[6] 中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范 GB50017-2003.北京:中国计划出版社，2003.
[7] GBJ135—90 高耸结构设计规范[S].
[8] 中华人民共和国电力行业标准，架空送电线路杆塔结构设计技术规定
L/T5154-2002，中国电力出版社.
[9] 国家电力行业标准，架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T5154-2002)
[1] 范金凯. Q460高强等边单角钢轴心受压杆件的理论与试验研究. 西安建筑科技大学硕士论文, 2009.
[2] 甘凤林等. 输电塔结构设计的发展与研究现状[J]. 山西建筑, 2007, (25): 5-6
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[4] GB6397-86 金属拉伸试验试样[S].
[5] 姚谦峰、陈平，土木工程结构试验，中国建筑工业出版社，2001