浙江省电力设计院PPT摸板2-中国电力工程顾问集团华北电力设计院

1舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍浙江省电力设计院叶尹2010.62主要内容1.基本情况2.钢管混凝土构件的应用3.球节点的应用4.双层螺栓连接法兰的应用5.结语舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍3主要内容1.基本情况2.钢管混凝土构件的应用3.球节点的应用4.双层螺栓连接法兰的应用5.总结舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍4舟山与大陆联网输电线路工程，是浙江省的重点工程，其中螺头水道跨越部分是整个工程的核心。考虑到通道资源极其缺乏，为适应今后电力建设发展的需要，大跨越段按500kV设计。螺头水道主跨越段跨越档距为2756米，工程处在我省风载最大的地区，设计风速高达42米/秒，两基高塔分别座落在大猫岛和凉帽山上，其全高约370米，为目前国内乃至世界输电线路最高跨越铁塔。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况5舟山与大陆联网输电线路舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况主跨副跨副跨副跨浅水区立塔大榭岛大猫岛盘峙岛舟山外峙岛凉帽山雌山螺头水道大跨越外神马穿鼻山6舟山与大陆联网输电线路断面图舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…大猫山凉帽山外峙岛猫嘴巴-2.532.4164.228.03.223.679.3SZK-332(370)SZK-332(370)SZK-170(201)SMT-27SMT-5562.19922772127011696203螺头水道大跨越断面示意图7舟山与大陆联网输电线路三维效果图舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…8本工程在建设中具有如下一些特点相应的技术难点：跨越的螺头水道为国际航道，航运部门要求通航的净空高度为71.5米，加之跨越档距大，跨越塔高度高，江面设计风速大，铁塔的设计荷载非常大，设计初步的计算，跨越塔的主柱内力将超过9000吨。因此，如何合理规划跨越塔的结构形式，尽可能降低跨越塔的外荷载，是一个需要重点研究的内容。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…9由于地理条件的唯一性，要容纳如此之大的跨越塔结构，海岛上的立塔面积就显得非常的局促，尤其对于大猫岛来讲，地形就显得更为窄小，在这样窄小的地形布置塔位，铁塔的根开受到一定限制，最终定在61.62米，其高宽比在6.1之内。当前所布置的塔位，是经现场反复推敲测量确定下来的，其方向或位置的前后有稍许的移动，就会严重地影响塔位的稳定。并且，由于塔位距离大海很近，海岛的边缘陡峭、高差较大，施工拉线的设置非常困难。如果在岛上设拉线，对地夹角肯定不会理想，拉线的平衡作用就更小，这将大大地影响了施工吊装的能力。根据与施工单位的多次研究磋商，初步确定跨越塔构件的单件重量控制在13吨以内为宜。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…10海岛上立塔，材料的运输都必须通过船运来解决，可以利用的或需要建造的码头规模都比较小，对于船的驳岸、吊装能力将受到一定限制。另外，尽管在小岛上修筑了施工道路，但将基础材料和铁塔构件运送到山上塔位仍然是十分困难的。因此，在这种情况下，对每个运输单件，主要是跨越塔的单个构件的重量控制在一定范围内是很有必要的。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…11跨越塔均坐落在无人居住的小海岛上，岛上的地形十分狭小，实景图如下：凉帽山全貌舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…12舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…大猫岛塔位处全貌13对于这样一个规模庞大的跨越塔设计，有许多技术上的问题需要研究，我们在设计过程中进行了如跨越塔的风洞试验、钢管混凝土构件的试验研究等多项科技项目工作。限于篇幅，本汇报就370米跨越塔设计中的三个主要特点作以下介绍：钢管混凝土构件的应用球节点的应用双层螺栓连接法兰的应用舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——基本情况…14主要内容1.基本情况2.钢管混凝土构件应用3.球节点应用4.双层螺栓连接法兰应用5.总结舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍15跨越塔主材采用纯钢管构件将会遇到的问题钢管径厚比控制的限制由于跨越塔主柱构件的内力太大，为了避免由于长细比大造成稳定验算时的不利情况，钢管的直径势必不能太小。初步计算对于受力最大的主柱钢管，其外径需要2200mm。直径如此之大的钢管构件，对设计人员来讲，其局部屈曲是一个十分棘手的问题。我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第10.1.2条规定：圆钢管的外径与壁厚之比不应超过100(235/fy)。如果钢管的材料采用Q345钢材，则其径厚比约为68，此时钢板的厚度应大于32mm。我国《钢结构设计规范》对径厚比的要求是一个相对比较低的要求，对这样一个重要的结构，应当采用更高的标准来对待。《欧洲钢结构设计规范》（Eurocode3）表5.3.1(page77)中对钢管径厚比的要求是这样规定的：1、第一等级的钢管结构，其允许径厚比为50(235/fy)，所谓第一等级的钢管结构，就是钢管截面可以出现塑性铰的情况，这里指的是受力较大的节点附近的钢管；舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…16钢管径厚比控制的限制…2、第二等级的钢管结构，其允许径厚比为70(235/fy)，所谓第二等级的钢管结构，就是钢管截面可以承受部分塑性的发展，但需限制其转动；3、第三等级的钢管结构，其允许径厚比为90(235/fy)，所谓第三等级的钢管结构，就是钢管截面的应力分布是在弹性范围内，其边缘纤维可达到屈服，但局部屈曲能够防止塑性抵抗矩的发展；由于本跨越塔结构，其主柱构件的刚度相对横撑和腹杆的刚度要大得多，部分主柱构件的节间长度与其直径之比甚至不能满足大于12的要求，若将其仍看作桁架单元参与分析，其结果与实际情况会有较大的出入。因此，对本跨越塔结构，我们将采用柱、杆单元相结合的方法进行节点校核。这样，就与以往全桁架结构的分析情况有所不同，柱的内力除了轴向力外，还会出现柱端次弯矩。在这种情况下，对于本塔的主柱结构，若将其考虑为第三等级似为有些冒进。综合上述考虑，我们认为主柱允许径厚比为80(235/fy)是合适的。因此，仅从局部稳定的要求考虑，对于Q345钢材，这个数值为54.5，此时钢板的厚度应大于40mm；而对于Q420钢材，这个数值为44.8，此时钢板的厚度接近50mm。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…17强度设计值对于厚钢板不利经计算，主柱轴压力达90000kN，对于外径为的钢管2200mm，采用Q345钢材，仅从强度计，钢板厚度为32mm时，应力已达413MPa，大大超出了强度设计值295MPa，显然是不够的；这个数据也已超出了Q420钢材的强度设计值360MPa。因此钢管的壁厚采用32mm是不够的。采用厚钢板另一个不利的情况是，随着材料厚度加大，其各向同性的性能也随之下降，以Q345钢材为例，钢板厚度大于35mm时，其强度设计值已降为265MPa，当钢板厚度为50mm时，强度设计值进一步下降，仅为250MPa。换句话说，对于一个壁厚为32mm、外径为2200mm的钢管构件，其构件强度承载力为64296kN，但将其壁厚加大为35mm时，此时其构件强度承载力竟为63084kN！壁厚大了，承载力反而低了！这是一个恶性循环的过程，钢管的加厚，还会带来其它的不良后果，这个情况下面我们将进一步对其分析。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…18厚钢板的层状撕裂问题我国《钢结构设计规范》第10.1.3条规定：热加工管材和冷成型管材不应采用屈服强度fy超过345MPa以及屈强比fy/fu0.8的钢材，且钢管壁厚不宜大于25mm。规范对钢管壁厚作此限制，是为了控制厚钢板在加工中容易产生的层状撕裂问题，对此有的结构在不得已的情况下采用了Z向经过特殊处理的钢板，而这类钢板的价格比普通钢板约高出40%左右。在进行经济比较时是一个很不利的因素。并且，即使采用了经过Z向处理的钢板，要保证冷弯时不出现裂缝、焊接时不产生层状撕裂现象，其风险仍然比较大。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…19厚壁钢管构件给施工和加工带来的困难前已有述，无论从构件的强度和局部稳定的要求，跨越塔主柱构件采用纯钢管其壁厚都至少要大于40mm。因此从加工制作的角度来看，需要用吨位很大的折弯机才能使构件加工精度达到要求。另外，法兰盘的加工也会遇到一些困难，其厚度初算大于50mm，在加工过程中对这样厚的焊件，焊接的工作量又是如此之大，要保证所有焊接成品的合格率不是一件容易的事情，因为这里不仅涉及到前面提到的层状撕裂问题，厚板在焊接时热传递的不均匀性在焊接影响区范围内应力集中极易引起裂纹的产生。。另一方面，由于工程地形较差，施工困难较大，要求构件的单件重量最好控制在13吨的以下，对于壁厚大于40mm的纯钢管构件，加上两端的法兰，只要长度达到4米，单件重量就将超过13吨。主柱构件长度如此之短显然是很不合理的，从整塔外观来看也是不能接受的。单件长度太短势必要增加大量的法兰和螺栓用量，这不光增加了铁塔的材料用量，而这些正是加工最困难、损耗最大、价格最昂贵的那部分材料。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…20跨越塔主材采用钢管混凝土构件情况钢管混凝土构件，对其进行较为深入研究应在20世纪60~70年代。1923年日本关西大地震后，人们发现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏远小于其它结构，因此在以后的建筑，尤其是高层建筑中大量应用了钢管混凝土。1995年阪神地震后，钢管混凝土更显示了其优越的抗震性能，因此对其的研究进一步成为热门课题。目前有关钢管混凝土结构设计的规程已有不少，日本的AIJ(1997)，美国的ACI(1999)和AISC-LRFD(1999),英国的BS5400(1979)和欧洲的EC4(1994)都给出了钢管混凝土结构设计方面的规定我国近十几年来也先后颁布了一些关于钢管混凝土结构设计方面的规程，国家建筑材料工业局JCJ01-89(1989),中国工程建设标准化协会CECS28:90(1992)，电力行业标准DL/T5085-1999(1999)等都给出了钢管混凝土结构设计计算方面的规定舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…21钢管混凝土结构的应用情况我国于20世纪50年代末开始进行钢-混凝土组合结构的研究，1963年在北京地铁车站中采用了钢管混凝土柱。1987年华北电管局微波塔采用了钢-混凝土柱。20世纪80~90年代，钢管混凝土结构在多高层建筑和桥梁方面得到应用，发展迅猛。高层建筑中采用钢管混凝土柱的有28层的厦门金源大厦、28层的广州嘉骏大厦、88层的深圳地王大厦、68层的深圳赛格广场、38层的天津今晚报大厦等，杭州的瑞丰国际商务大厦也采用了钢管混凝土柱结构。钢管混凝土拱桥更是发展迅速，据不完全统计，到目前止，已建和在建钢管混凝土拱桥已达250座左右。如湘潭湘江四大桥（400米）、湖南南县茅草街大桥（368米）、四川巫山长江大桥（460米）、广西南宁永和大桥（350米）、黄山太平湖大桥（336米）等。本省的钢管混凝土拱桥有近30座，其中钱江四桥是目前省内唯一的双层钢管混凝土拱桥（赵林强），也是目前世界规模最大的钢管混凝土拱桥。舟山与大陆联网工程370m大跨越高塔结构设计介绍——钢管混凝土构件应用…22日本在穿越高山峡谷的高速公路中大量采用高度在30米至100多米的中空夹层钢管混凝土柱。我省在输变电工程中也采用了较多的钢管混凝土结构，如500kV兰亭变电所构架就采用了钢管混凝土构件，该变电所220kV构架采用了薄壁钢管离心混凝土构