2-高强钢在输电铁塔中的应用.ppt

Q420高强钢在输电线路铁塔中的应用,国网北京电力建设研究院 2008年4月,1.我国输电线路铁塔用钢现状及存在的问题,目前，我国普遍采用国产的Q235、Q345角钢及少量的钢管，有少量进口钢材，2002年 吴淞口黄浦江大跨越首次采用 了Q390钢管。750kV官兰线 首次采用了Q420高强度角钢。 与国际上其他国家相比材质强度明显偏低，使设计的铁塔大而重。,钢 材 材 质 方 面,解决办法： 推广使用高强钢,1.我国输电线路铁塔用钢现状及存在的问题,1）市场上可方便采购的规格不足四十种，导致 “代料”问题。造成约5%的损耗，多的可达10； 2）我国最大角钢200mm24mm，欧美为250mm35mm。高强度单角钢最大承载力约为我国的两倍； 3）不等边角钢的使用。,钢 材 材 质 方 面,角 钢 规 格 方 面,解决办法： 使用冷弯型钢,1.我国输电线路铁塔用钢现状及存在的问题,镀锌防腐需有专门的除锈、酸洗、镀锌工序，投资大，污染较严重。锌液加热到450 左右,会释放有害气体,危害人的健康。尤其是镀锌钝化溶液中Cr6+对人体和环境有很大危害。,钢 材 材 质 方 面,角 钢 规 格 方 面,解决办法： 使用耐候钢,塔 材 的 防 腐,1.我国输电线路铁塔用钢现状及存在的问题,钢 材 材 质 方 面,角 钢 规 格 方 面,塔 材 的 防 腐,高 强 螺 栓 的 应 用,目前主要采用5.8级、6.8级螺栓，强度较低。无法满足铁塔荷载大型化和钢材强度等级提高的要求。 国外输电塔上已经使用了9.9级高强度螺栓。我国现行标准没有8.8级，M24以上的螺栓的扭矩控制值，高强螺栓没有广泛使用。,解决办法： 需开展相关的研究,1.我国输电线路铁塔用钢现状及存在的问题,钢 材 材 质 方 面,角 钢 规 格 方 面,塔 材 的 防 腐,高 强 螺 栓 的 应 用,规 范 的 限 制,在钢管的材质强度方面，钢结构设计规范(GB50017-2003)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超过345 N/mm2以及屈强比fy/fu 0.8的钢材，且钢管壁厚不宜大干25mm。由于这条规定的限制，导致我国钢管塔钢材只用Q235、Q345两种。,解决办法： 开展相关试验研究，钢结构规范的修订,2. 国外高强钢的应用情况,国内外情况,2. 国外高强钢的应用情况,国内外输电铁塔常用结构钢,国际上有许多国家已经采用了比我国强度等级更高的钢材。日本在上世纪90年代相继建成四段同塔双回路共425km的1000kV线路中，主材采用屈服强度415MPa的钢材。欧美国家大多采用A36、G50、GR65(屈服强度450MPa)等级的钢材。,2002年，我国500kV吴淞口黄浦江大跨越钢管塔首次采用Q390钢材；美国独资上海维蒙特公司，用ASTM A572GR65配方在上海宝钢生产了屈服强度为450 Mpa的钢材，已用于国内220kV钢管杆和500kV变电构架。 2005年投运的西北750kV使用了Q420高强度角钢。,2. 国外高强钢的应用情况,鸟巢外形新颖独特，地面以上的平面呈椭圆形，长轴最大尺寸为332.3米、短轴最大尺寸为296.4米；建筑屋盖顶面为双向圆弧构成的马鞍形曲面，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米；屋盖中部的洞口长度为190米，宽度为124米；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为37.958米。,3.高强钢在建筑结构中的应用,该工程中采用的Q460E-Z35钢由舞阳钢厂生产，其厚度达110mm，是Q460级钢在国内建筑钢结构行业内尚属首次应用，用量750t，碳当量应不大于0.47。,3.高强钢在建筑结构中的应用,北京新保利大厦钢结构工程中首次在国内大规模采用了从卢森堡进口的ASTM A913Gr60钢，最低屈服强度415MPa， （强度级别相当于国内的Q420钢）。,3.高强钢在建筑结构中的应用,试验钢材是阿赛罗公司提供的轧制H型钢，其翼缘板板厚125mm，腹板厚度78mm，供货状态为淬火+自回火。工程中最厚用到140mm，碳当量0.360.37%，属于易焊钢材。,3.高强钢在建筑结构中的应用,水立方、中央电视台塔楼均部分采用大厚度Q390、Q420、Q460钢板制作构件。,3.高强钢在建筑结构中的应用,建筑结构多用于受弯，受扭或更复杂，且属于厚板，采用焊接的方式连接，所以采用的钢材等级要求较高，鸟巢用到了E级，且对Z向性能也有要求。而输电铁塔用角钢属于薄壁构件，且主要受轴向力作用，主要采用螺栓连接，根据多年实际的经验，采用不低于B级的钢材是安全的。,3.高强钢在建筑结构中的应用,由上表可以看出，对于同规格的示例构件Q420角钢的承载力较Q345的承载力提高18%。,L16016角钢（1500mm）不同强度等级钢材的承载力比值,3.高强钢应用的经济性分析,（1）不同强度等级钢材的承载力比较,750kV工程中总的Q420与Q345用钢量的比较,（2）Q420与Q345用钢量的比较,3.高强钢应用的经济性分析,500kV武南锡东南送电线路的比较,3.高强钢应用的经济性分析,500kV萍乡罗坊送电线路的比较,3.高强钢应用的经济性分析,该工程Q420高强钢用量大约占铁塔总钢材量的34%，采用Q420高强钢可节省铁塔材料费23%。,3.高强钢应用的经济性分析,综上所述，使用Q420钢可有效节省材料重量58%，高强钢的使用可以简化结构的构造，减轻单根构件的重量，由此也可以相应减少运输、安装等人工费用，按高强钢在输电杆塔中平均约占1/3重量计算，在扣除高强钢原材料价格的后，保守的估计，使用Q420钢后整体上可节省铁塔造价25% 。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.1 Q420高强度角钢柱子曲线的研究,我国钢结构设计规范GB 50017-2003中将不同的截面型式分为a、b、c、d四条曲线，输电铁塔设计有关等边角钢受压杆件稳定系数直接采用了钢规的b类截面柱子曲线。而钢规的柱子曲线主要考虑的是建筑行业多使用的工字型、焊接工字型、T型等截面型式，经大量的理论计算、试验验证和归纳整理得出的，所用的材料强度等级为Q235或Q345钢，对于输电铁塔这一特殊的行业考虑较少。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,为此，我们采用钢结构设计规范的柱子曲线计算方法逆算单元长度法，利用FORTRAN语言编制程序来计算我国输电线路铁塔用Q420等边角钢轴心受压构件的柱子曲线。流程图见右图：,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,运用所编制的程序计算了等边角钢表中肢宽在63200的所有规格的柱子曲线，按最小二乘法，取近似95的保证率，修正后的计算稳定系数曲线与我国现行规范的b类稳定系数曲线非常接近，说明输电线路用Q420角钢的稳定系数仍然可以采用现行规范的b类稳定系数曲线。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.2 Q420高强度角钢受压杆件承载力的试验研究,为验证架空送电线路杆塔结构设计技术规定DL/T 5154-2002承载力的计算方法是否适用于高强钢构件，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(30个样本)、一端偏心(21个样本)、两端偏心(21个样本)、两端无约束(18个样本)、一端约束(12个样本） 、两端约束(15个样本)六种边界条件，共计117根构件。,两端轴心受压部件试验示意图,两端偏心受压部件试验示意图,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,两端轴心受压试验试件破坏状态,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,两端偏心受压试验试件破坏状态,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,模型塔架加荷现场图,主材局部破坏状态,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,将试验结果与按02规定理论承载力比较结果表明： （1） 试验承载力均比02规定稍高，说明02规定是安全可行的，并有适当的强度储备。 （2）02规定中平行轴方法不安全，需修正调整；两端偏心计算公式偏保守，有待改善。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,Q420受压构件长细比修正系数，表中的平行轴修正系数是在最小轴的修正基础上再乘以系数的。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.3 与高强钢相匹配的高强螺栓试验,螺栓试验示意图,螺栓试验图,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,螺栓试验破坏情况图,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,高强钢孔壁承载力破坏形态与普通钢相同，钢材本身强度高，破坏具有突然性，因此板的极限承压力的取值应适当降低。 通过试验，02规定的孔壁承载计算公式安全可行，有1.21.6的余度。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.4 输电线路铁塔的节点构造研究,（1）节点板厚对不同长细比杆件的承载力影响不同，对大长细比构件的影响大于小长细比构件；,（2）在节点构造处理上，应尽量减小杆件的负端距，能使其直接连于主材为最好； （3）对于小长细比杆件，反装较正装承载力提高幅度大，而大长细比时反装较正装承载力提高较小。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.5 输电线路用Q420高强度等边角钢标准化规格表,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,最小规格为8,增列22和25等边角钢规格,强度折减系数小于0.85的规格不予考虑,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,材 料 机 械 性 能 参 数,4.6 Q420高强钢应用中设计技术参数的选取,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,材 料 机 械 性 能 参 数,钢 材 强 度 设 计 值,4.6 Q420高强钢应用中设计技术参数的选取,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,材 料 机 械 性 能 参 数,钢 材 强 度 设 计 值,4.6 Q420高强钢应用中设计技术参数的选取,轴 心 压 杆 稳 定 系 数,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,材 料 机 械 性 能 参 数,钢 材 强 度 设 计 值,4.6 Q420高强钢应用中设计技术参数的选取,轴 心 压 杆 稳 定 系 数,当,时，,当,时，,压 杆 稳 定 强 度 折 减 系 数,对于高强钢要求应更严格些，折减系数 的分界点由11.47降低为10.26。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,材 料 机 械 性 能 参 数,钢 材 强 度 设 计 值,4.6 Q420高强钢应用中设计技术参数的选取,轴 心 压 杆 稳 定 系 数,压 杆 稳 定 强 度 折 减 系 数,材 料 焊 缝 强 度 设 计 值,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.7 Q420高强度角钢使用原则,承载力计算表明：当构件长细比小于40时，构件由强度控制，宜采用Q420角钢选材；在4080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；大于80时，构件由稳定控制，不宜采用Q420角钢选材。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,330kV及以上输电线路工程中的铁塔； 220kV同塔双回及多回输电线路工程中的铁塔； 220kV及以上电压等级输电线路工程中的钢管(杆)塔。,“两型三新”输电线路建设提出以下线路应采用高强钢：,1）宜用于受力较大的受压、受拉和受弯强度控制的杆件。 2）稳定系数按钢结构设计规范取值。 3）应考虑局部稳定对构件承载力的影响，采取合理的设计方法保证结构的安全性。对长细比小于30、宽厚比大的杆件在计算折减的基础上，还应适当留有裕度。 4）当采用螺栓连接时，高强钢之间的连接宜采用8.8级螺栓，高强钢与其他钢材连接时，采用6.8级或8.8级螺栓。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,使用的基本原则：,4.8 Q420钢材的焊接及材料性能评价试验,碳当量计算公式,Ceq（IIW）=C+ Ceq（JIS）=C+,根据JGJ81-2002规定：钢材碳当量小于0.38%，焊接难度一般；在0.380.45%范围内，焊接程度较难;大于0.45%，焊接程度难。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,1）钢板和角钢的化学成分及力学性能检验,3）焊接冷裂纹敏感性试验,评价试验,5)斜Y型坡口焊接裂纹试验,4)焊接热影响区最高硬度试验,2）韧脆转变温度的测定,6)焊接材料的选择,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,1）钢板和角钢的化学成分及力学性能检验,3）焊接冷裂纹敏感性评价,评价试验,5)斜Y型坡口焊接裂纹试验,4)焊接热影响区最高硬度试验,2）韧脆转变温度的测定,6)焊接材料的选择,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,1）钢板和角钢的化学成分及力学性能检验,3）焊接冷裂纹敏感性试验,评价试验,5)斜Y型坡口焊接裂纹试验,4)焊接热影响区最高硬度试验,2）韧脆转变温度的测定,6)焊接材料的选择,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,1）钢板和角钢的化学成分及力学性能检验,3）焊接冷裂纹敏感性试验,评价试验,5)斜Y型坡口焊接裂纹试验,4)焊接热影响区最高硬度试验,2）韧脆转变温度的测定,6)焊接材料的选择,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,1）钢板和角钢的化学成分及力学性能检验,3）焊接冷裂纹敏感性试验,评价试验,5)斜Y型坡口焊接裂纹试验,4)焊接热影响区最高硬度试验,2）韧脆转变温度的测定,6)焊接材料的选择,得出以下几点结论：,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,（1）目前可采购的Q420角钢，因生产企业的不同，钢材的性能指标存在差异，这与钢材的成分及锻造过程有关。 （2）采购的Q420角钢的脆性转变温度在-20到0之间，最高为-5，因此制造过程中应避免在负温条件下焊接。 （3）Q420钢的焊接接头性能与接头结构有关，并非焊缝尺寸越大越好，特别是对角焊缝，应合理控制焊角尺寸。 （4）Q420钢的焊接质量与制造过程控制关系密切，应采取专门监造措施。,Q420在不同温度加热后因冷却方式不同使其硬度也不同，同一温度下Q420加热后，采用缓冷、空冷、水冷其硬度依次升高。在保证质量的前提下，综合考虑施工进度和成本的因素，常规条件下，建议热矫正后对工件采取空冷的方式冷却。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.9 Q420钢材的热加工试验研究,1）热矫正,2）热变形,试验表明：热成形温度在950时，试件的室温强度和韧性与钢材原性能相近；热成形温度在850时，试件的室温强度有所下降。因此热成形的加热温度控制在850950比较合适，并且在加热温度降到850之前结束加工。,常见的如剪切、冲孔、冷弯等。且冷加工节材、节能和生产率高，成本低廉，效益较好，在铁塔制造行业中占有重要地位。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.10 Q420钢材的冷加工试验研究,根据冲孔和钻孔试件对比试验，13mm、12mm、10mm、8mm厚的Q420材料冲孔和钻孔的对比试验表明：冲孔试样的强度值与钻孔试样的强度、孔壁硬度相当，钻孔和冲孔对孔壁周边钢材组织形貌没有差别。因此，不超过12mm厚的Q420钢材可以进行冲孔加工。,根据打钢印试件试验结果：打钢印的字体高度为8mm18mm，钢印深度0.5mm1mm时，不会对Q420钢产生不良影响。,对三个厂家生产的4.8、6.8、8.8、10.9级螺栓进行抗拉、抗剪及冲击等机械性能试验。并对镀锌和普通螺栓的硬度进行检验，同时，进行金相组织和化学成分分析。结果表明：,4.11 镀锌螺栓和不镀螺栓的力学性能比较试验,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,（1） 4.8s、6.8s、8.8s、10.9s螺栓镀锌后金相组织、硬度、性能与同级别的普通螺栓相差不明显； （2）镀锌对各级别螺栓的最小拉力载荷基本没有影响； （3） 镀锌对各级别螺栓的抗剪承载力基本没有影响； （4） 8.8s和10.9s镀锌螺栓的平均冲击值均稍低于同级别的普通螺栓，而镀锌对其他级别螺栓的冲击性能基本没有影响。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,根据所得试验数据分析表明，镀锌对各级别螺栓的机械性能没有产生影响。但是在试验中发现个别普通螺栓的硬度过高而且冲击韧性也不满足相关标准的要求，生产厂家和采购单位应采取措施确保输电铁塔用螺栓的质量。,按照JGJ 81-2002建筑钢结构焊接技术规程对Q420钢进行了焊接工艺评定；编制了焊接工艺评定报告和Q420高强钢焊接作业指导书，用于指导铁塔制造焊接施工。 在完成Q420高强钢焊接工艺评定工作、热变形及热矫正试验的基础上，基于各铁塔制造企业的作业环境及技术能力，依据相关标准，提出了输电铁塔用Q420高强钢焊接及热加工技术规程。 根据国家电网公司基建技术20072号关于开展Q420高强钢铁塔监造工作的通知的要求，成立了Q420高强钢线路铁塔加工监造组织机构，编写了Q420高强钢铁塔监造大纲和Q420高强钢铁塔监造实施细则。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.12 相关规程的编制,4.13 Q420高强钢焊接技术管理人员及焊工的培训考核,编制了“Q420高强钢焊接技术管理人员培训考核大纲”和“Q420高强钢焊工培训考核大纲”等配套技术文件。先后组织了55家铁塔制造企业的技术管理人员的培训，对通过考核的63名技术人员人员颁发了Q420高强钢焊接技术管理人员资格证，对通过考核的229名焊工颁发了Q420高强钢焊工资格证 。可在网上（）查询证件的有效性。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,4.14 Q420高强钢生产和供货情况,生产过Q420角钢的钢厂有：唐钢、唐山粤丰、无锡金鑫钢厂、天津达亿钢铁公司和济钢、马钢等。 能生产20大规格角钢 ：唐钢、唐山粤丰、无锡金鑫钢厂； 16以下规格角钢：天津达亿钢铁公司、济钢、马钢、 邯钢等。 其他钢厂表示愿意试制，而且表示技术难度不大。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,Q420高强钢包括钢板和型钢（角钢）。通过市场调研，目前，Q420钢板可以从市场上直接购买；而 Q420角钢的供货渠道相对狭窄，需要预定，而且往往要达到一定数量才能订购得到。,鉴于高强钢推广使用后，规格繁多、用钢总量较大，且主要用于塔身主材、横担等受力较大的位置，钢材的质量对工程的安全可靠起着重要的作用，为此，电建院成立的专门的部门，负责为我国输电铁塔用高强钢提供质量合格的高强钢。 至今，已先后参与和直接为国内铁塔厂供货的近10万余吨Q420高强钢。其中直接供货的铁塔生产厂有近二十家遍布十余个省市，在春节前后抗击冰雪灾害过程中，保证了救灾铁塔的按期生产加工和供应。,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,综上所述，输电线路铁塔用高强钢的货源供应和铁塔厂的加工能力有一定保证，部件试验和真型塔试验结果表明高强钢铁塔的设计技术是可靠的，经济分析表明应用高强度钢可降低铁塔整体造价。因此在输电线路铁塔上推广使用高强钢经济上和技术上是可行的。,4.15 小结,4. Q420高强钢应用方面的研究成果,西北750kV官-兰线JG2转角塔于2004年进行了真型塔试验。JG2转角塔的单线图，当试验塔90度大风超载加荷到130%瞬间时塔身主材破坏。下图是试验过程及其破坏情况。,5.1 750kV输电线路中Q420高强钢的用量情况,750kV工程中Q420的总用钢量,5. 高强钢的推广应用情况介绍,5. 高强钢的推广应用情况介绍,5.2 试点线路工程的应用情况,试点工程情况,5. 高强钢的推广应用情况介绍,九条试点线路工程线路总长度共计964公里。试点工程采用高强钢的铁塔共计4.63万吨，共用Q420高强钢角钢9800吨，Q420钢板938吨，节省造价约560万元。 以下是几个真型塔试验图片。,5. 高强钢的推广应用情况介绍,500kV武南锡东南输电线路SJTG16转角塔试验：,5. 高强钢的推广应用情况介绍,500kV武南锡东南输电线路SZTG16直线塔试验：,5. 高强钢的推广应用情况介绍,500kV罗坊萍乡输电线路SJC1双回路转角塔试验：,5. 高强钢的推广应用情况介绍,500kV罗坊萍乡输电线路SZC1双回路直线塔试验：,5. 高强钢的推广应用情况介绍,5.3 1000kV特高压工程的高强钢应用情况,1000kV特高压示范工程采用Q420高强钢，总用钢量9.5万吨，其中高强钢的用量约3.3万吨。,1000kV工程中的Q420高强钢的用量情况,5. 高强钢的推广应用情况介绍,两基特高压项目真型试验塔的高强钢用量情况见下表：两基真型试验塔的单线图，其中粗红线标示出Q420级高强钢的应用位置 。,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，ZM2真型试验塔全貌，及破坏后的现场图片。,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，为J1真型试验塔全貌，及破坏后的现场图片。,5. 高强钢的推广应用情况介绍,录像,5. 高强钢的推广应用情况介绍,5. 高强钢的推广应用情况介绍,谢谢大家！,