一种蜂窝式高强钢输电杆塔的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种蜂窝式高强钢输电杆塔，包括竖直设置在塔基上的塔身，塔身上水平设有横担和地线支架，其改进之处在于：塔身由两端设有法兰的塔节连接而成，塔节包括同轴设置的外层和加强层，在外层和加强层之间设有蜂窝夹层。和现有技术比，本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，提高了输电杆塔的整体承载力和局部稳定性，并通过减小钢管塔所用高强钢板的厚度，来防止加工中的层裂现象和减小焊接难度，在一定程度上解决高强钢用于输电铁塔的困难，推动了高强钢在输电杆塔中的应用。
【专利说明】一种蜂窝式高强钢输电杆塔
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种输电杆塔，具体讲涉及一种蜂窝式高强钢输电杆塔。
【背景技术】
[0002]近几年来，随着城市土地日益紧张，用电负荷迅速增加，供电网络已不满足用电负荷发展的需要，势必要新建进城线路，对原有的城网线路进行增容改造。为此，城市规划部门一般提供狭窄的高压线路走廊或利用绿化带作为高压架空线路的通道，普通自立式铁塔因为根开宽，需要比较大的走廊，占的位置多，不适合在受限制的走廊内架设；如在同一路径上铺设电缆线路，则投资非常大，工程建设单位往往难于接受，而且容易受城市施工的影响，发生线路事故也不易检修；采用钢筋混凝土电杆，其纵向、环向裂纹问题，一直未能很好的解决。而环形或多边形截面的钢管塔因其结构简单、受力清楚、加工制造容易、施工方便、运行安全可靠、维护工作量小的特点，在新城区的高压架空线路中得到了广泛的应用。
[0003]目前用于钢管塔的钢材强度等级一般不高，钢管材质多为Q235和Q345等强度等级，强度不大，不适用于多回路大容量的送电线路。随着世界各国钢铁生产工艺的发展，钢材的强度等级也逐步提高。近年来，高强钢在输电铁塔中逐步得到应用，2004年，在中国西北750kV输电线路中，首次使用了 Q420高强钢；2007年，由中国河南省电力勘测设计院设计的平顶山一洛南500kV线路工程中对Q460铁塔进行了设计应用；2010年，中国河南省电力勘测设计院等研究、设计的我国首个Q690钢管塔，在中国电力科学研究院霸州特高压杆塔试验基地顺利通过真型塔试验，获得成功；之后在平顶山一白河500kV线路工程中首次进行了 Q690铁塔的试点应用，运行情况良好，表面Q690钢管塔的设计理论应用于实际工程是安全可靠的。日本和南韩在钢管塔的设计、制造上也积累了很多的有益经验和数据。日本的跨海线路工程普遍采用钢管结构，在第一条100kV试验线路上也是采用高强度钢材的钢管塔，而在一般的普通线路上，日本多回路钢管塔和钢管杆应用也十分地普遍。
[0004]国际上相关输电铁塔应用高强钢的规范一般晚于高强钢的小规模实际应用，只有规范完善后，才有利于高强钢的推广，中国规范GB50017-2003《钢结构设计规范》和GB50545-2010 ((IlOkV?750kV架空输电线路设计规范》中钢材的最高强度等级为420MPa，而一些国家的铁塔设计标准中给出的可选钢材品种较丰富，且其钢材最高强度等级也较高，其中《美国输电铁塔设计导则》(ASCE10-1997)中的强度等级已达到686MPa。
[0005]目前，用于输电线路的钢管塔塔身多为环形的钢管形式，通过对高强钢钢管的研究，其推广应用存在以下几个问题:
[0006]第一，高强钢管厚度有限，容易发生局部屈曲问题，从而造成杆塔局部失稳；
[0007]第二，如果加工较厚的高强钢管，加工中容易出现层状撕裂问题；
[0008]第三，较厚的高强钢管焊接难度较大，焊接质量不能保证。
实用新型内容
[0009]针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种蜂窝式高强钢输电杆塔，提高了输电杆塔的整体承载力和局部稳定性，并通过减小钢管塔所用高强钢板的厚度，来防止加工中的层裂现象和减小焊接难度，在一定程度上解决高强钢用于输电铁塔的困难，推动了高强钢在输电杆塔中的应用。
[0010]本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的:
[0011]本实用新型提供的一种蜂窝式高强钢输电杆塔，包括竖直设置在塔基上的塔身，所述塔身上水平设有横担和地线支架，其改进之处在于:所述塔身由两端设有法兰的塔节连接而成，所述塔节包括同轴设置的外层和加强层，在所述外层和加强层之间设有蜂窝夹层。
[0012]其中，所述蜂窝夹层与外层和加强层的间隙均介于3mm?6mm之间。
[0013]其中，所述蜂窝夹层与外层和加强层的间隙相等。
[0014]其中，所述蜂窝夹层与外层和加强层之间通过粘结层连接。
[0015]其中，所述粘结层包括环氧树脂、固化剂和铜粉。
[0016]其中，所述外层、蜂窝夹层和加强层均采用屈服强度大于420MPa的高强钢板。
[0017]其中，所述外层的壁厚tl为25mm ^ tl > 4.5mm ;所述加强层的壁厚t2为tl彡t2> 4.5mm ;所述蜂窝夹层的壁厚t3为t3 < 4.5mm。
[0018]其中，所述高强钢板经冷弯为波形板后冲压弯曲焊接成所述蜂窝夹层。
[0019]其中，所述高强钢板经冲压弯曲后焊接成所述外层和加强层。
[0020]其中，所述外层和加强层的焊缝为直焊缝，所述外层焊缝与加强层焊缝位于同一平面且朝向相反。
[0021]其中，位于所述塔节两端处的外层、蜂窝夹层和加强层之间通过焊接连接。
[0022]其中，所述塔节与法兰为平接连接，所述法兰与塔节之间设有加劲板。
[0023]其中，所述法兰与外层和加强层通过焊接分别连接。
[0024]其中，所述法兰之间通过螺栓连接。
[0025]其中，所述塔节两端连接法兰后的长度小于等于9米。
[0026]其中，所述塔基为预埋在水平地面的外杯口型钢筋混凝土基础，由所述塔节连接构成的塔身根部通过水泥固定设置在外杯口型钢筋混凝土基础中；所述塔身埋入的深度h大于塔身最大外径d的1.5倍。
[0027]其中，所述塔身与横担和地线支架之间设有连接节点，所述连接节点包括横纵交叉设置的连接板和加强板，所述连接板和加强板与塔身之间通过焊接连接；所述横担和地线支架通过螺栓与连接节点连接。
[0028]与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果是:
[0029]1、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，采用的高强钢管可以使用径厚很大的钢管，比起环形高强钢加工，本发明的高强钢管更容易加工，加工过程中可以有效避免层裂现象。
[0030]2、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，采用的高强钢管较薄，更容易焊接，且焊接质量要好于较厚的环形钢板。
[0031]3、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，采用的蜂窝夹层可以增加塔身的局部稳定性，能够防止塔身局部屈曲。
[0032]4、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，外层的设计起到了支撑杆塔的主要作用。
[0033]5、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，内层的加强层设计起到了支撑杆塔的次要作用，其主要作用为固定蜂窝夹层的变形。
[0034]6、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，采用的蜂窝夹层提高了输电杆塔的整体承载力。
[0035]7、本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，整体的结构紧凑，科学合理，减少了输电走廊的宽度，具有广阔的市场前。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是:薄板经辊压冷弯成波形的冷弯板侧面结构示意图；
[0037]图2是:本实用新型提供的加强层的截面结构示意图；
[0038]图3是:本实用新型提供的蜂窝夹层的截面结构示意图；
[0039]图4是:本实用新型提供的外层的截面结构示意图；
[0040]图5是:本实用新型提供的塔身的截面结构示意图；
[0041]图6是:本实用新型提供的塔身和法兰的平接连接截面示意图:
[0042]图7是:本实用新型提供的塔身与横担和地线支架的连接节点结构示意图；
[0043]图8是:本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔的地基结构示意图；
[0044]图9是:本实用新型提供的蜂窝式高强钢输电杆塔的整体结构示意图；
[0045]图10是:本实用新型提供的塔身截面几何参数示意图；
[0046]图11是:本实用新型提供的塔身局部侧视几何参数示意图；
[0047]图12是:本实用新型提供的塔身局部俯视几何参数示意图；
[0048]其中:1、塔身；2、外层；3、蜂窝夹层；4、加强层；5、外层的焊缝；6、蜂窝夹层的焊缝；7、加强层的焊缝；8、粘结层；9、加劲板；10、法兰内焊缝；11、法兰外焊缝；12、螺孔；13、法兰；14、横担；15、连接节点；16、连接板；17、加强板；18、连接螺孔；19、地线支架；20、钢筋混凝土基础；21、水泥。
【具体实施方式】
[0049]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做进一步的详细说明。
[0050]本实施例以蜂窝式高强钢输电杆塔为例，如图1至图12所示，本实用新型实施例提供的蜂窝式高强钢输电杆塔包括:塔身1、外层2、蜂窝夹层3、加强层4、外层的焊缝5、蜂窝夹层的焊缝6、加强层的焊缝7、粘结层8、加劲板9、法兰内焊缝10、法兰外焊缝11、螺孔
12、法兰13、横担14、连接节点15、连接板16、加强板17、连接螺孔18、地线支架19、钢筋混凝土基础20、水泥21。
[0051]选择屈服强度不低于420MPa的高强钢板分别制作外层2、蜂窝夹层3和加强层4，外层2的厚度tl、加强层4的厚度t2、蜂窝夹层3的厚度t3的关系为25mm ^ tl ^ t2 >
4.5mm > t3。
[0052]首先，制作外层2和内加强层4:在JCO成型机上先将预弯钢板的一半进行分次冲压成J型，再将钢板的另一半也用同样的方法冲压成C型，最后钢板形成开口的O型，然后对O型钢板的开口处进行焊接，焊接采用埋弧焊的焊接方式，最后形成的焊缝为直焊缝。
[0053]其次，制作蜂窝夹层3:将高强钢板经过轧辊碾压，冷弯加工成波形的压型板，在JCO成型机上先将预弯的压型板的一半进行分次冲压成J型，再将压型板的另一半也用同样的方法冲压C型，最后压型板形成开口的O型，然后对O型钢板的开口处进行焊接，形成环状的蜂窝夹层3。
[0054]最后，依次将蜂窝夹层3和加强层4装入外层2中，并通过粘结层8粘接为一体；蜂窝夹层3与外层2和加强层4的间隙厚度为6mm > Ill > 3m,并且Ii1 = h2。在放置过程中，外层2、蜂窝夹层3和加强层4保持同轴关系，外层的焊缝5与加强层的焊缝7位于同一平面且朝向相反。
[0055]其中，外层2和加强层4的径厚t与管径D比应满足公式1:
[0056]I
[0057]单位为毫米和牛顿，σ为选用钢材的牌号。
[0058]由于塔身I的结构为外层2、蜂窝夹层3和加强层4粘合而成的组合式构件，如图10所示，对塔身I结构的承载力设计分为以下3个步骤:
[0059]1、整体稳定/强度计算；
[0060]根据结构的稳定设计和强度设计公式，在构件的长度、材料及载荷确定时，它的整体稳定应力和强度应力与杆件沿轴线的横截面面积和惯性矩有关。结构的蜂窝夹层均沿构件的纵向布置，它对构件横截面面积和惯性矩的贡献和内外圆管几乎相同，充分发挥了蜂窝夹层对构件整体稳定和强度承载力的提高作用。
[0061]2、局部稳定计算；
[0062]为防止局部屈曲，普通钢管的径厚比应符合公式II的要求:
b I235
[0063]— = Ij 1---τι
I ij fr11
[0064]这样，在应用高强钢时，钢管总是在未发生整体失稳前发生局部屈曲，无法充分发挥高强钢的作用。
[0065]对于本实施例中提供的组合式构件，由于蜂窝夹层和内外圆管的相互支撑，两个支撑之间的内外圆管钢板可视为长度为a、宽度为b的矩形板。
[0066]承受纵向均匀压力，单位宽度上的力为Nx，注意从这里开始，正应力为正。屈曲微分方程为公式III:
c W O M1 O WC~\V
[0067]D(—++ —) =Μ
ox— €ix~cy~ OV€X~
[0068]利用逆解法，设
,.ηιπχ.ηπγ
[0069]w = Amn sm sm
αο
[0070]代入公式III，得到公式IV:, tnm(ηπχ1 ,? ,?Λ*α
[0071]—~~)十(--;It--J + ^——β J = Hxcr ^-—j|γ
aabba
[0072]根据上式，要使得Nxra最小，η应该取1，所以得出公式V:
[0073]Nxcr = D{^-f [(—)2 + 2 + (―)2 ] = D(^f (—+—f
+b ambb a mb γ
[0074]公式V在b = a/m时有最小值，得出公式VI:
,r 4 TT D
Γ ππ~7 κ? /V —-
LUU/Oj ^xer j 2
b ￥1
[0076]采用临界应力表示为公式YD:
4π2Ε ?3
[0077]^xcr I,/】2 \ r 2
丨二(丨......,"),)穩
[0078]当板件的长度a小于宽度b时，板件以一个半波屈曲，临界应力为公式VII:
?r7Γ/fill.)Λ.?, a、，ιE t , i) a、，
[0079]Nxa,:D(T)1(——)"+2 + (^)"] = -TTvrifn — + m^)"
b amb 12(1 —/r)o— a b糧
[0080]从公式VI和公式vn可知，板件的临界荷载与长度无关，而与板件宽度的平方成反t匕。可见，由于蜂窝夹层的存在，极大提高了内外圆管的抵抗局部屈曲的能力。
[0081]3、连接强度分析；
[0082]从组合式结构上取出一个微元来分析蜂窝夹层和内圆管和外圆管之间的粘合力要求,如图11至图12所示。
[0083]公式IX:
[0084]τ = (? σΧΙΜ-? σπ1?Α) ? hb = —κ
A
[0085]其中σ χ1，σ χ2 和M2分别为端点I和2的弯矩。y为质点到形心的距离，b为微元的宽度。
[0086]将。xl和。x2代入公式IX，得出公式X:
(M1 -M11f
[0087]τ = ^* rj ydA
K Mb Jjx
Iyf — Iyf
[0088]其中^^为杆件的剪力，由于在杆系结构中，剪力与轴力之比趋于O,蜂窝夹层和内外两个钢管之间的剪应力τ很小，因此，该结构对粘合剂的要求并不高。同时，也可以得出粘合力与/ ydA有关，即蜂窝类的高度越大、I1和的比值越大，所需的粘合应力越大。
[0089]综上所述:本实施例提供的塔身采用蜂窝夹层来支撑内外圆管，极大的提高了压杆抵抗局部屈曲的能力。同时，蜂窝夹层也提高了压杆的整体稳定性，且对粘合剂的要求不高。因此，本实施例提供的塔身I达到了节约钢材的目的。
[0090]其中，粘结层8由环氧树脂和固化剂组成，并掺有少量的铜粉。
[0091]其中，组成塔身I的蜂窝式结构的塔节在组建时可根据输电杆塔的高度需要来选择蜂窝式结构塔节长度规格组合。塔节两端的外层2、蜂窝夹层3和加强层4之间进行焊接；然后在塔节的两端焊接法兰13，焊接方式为坡口焊；塔节之间通过法兰13相互连接，法兰13之间采用平接连接的连接方式，平接式法兰盘与塔节之间设置加劲板9。
[0092]其中，在塔身I安装横担14和地线支架19的位置设有连接节点15，该连接节点15由加强板17和连接板16组成，连接板16和加强板17与塔身I之间采用焊接连接，横担14和地线支架19用螺栓安装在连接节点15上。
[0093]其中，塔身I的根部采用预埋的方式固定，先埋入外杯口型钢筋混凝土基础20，然后加入混合好的水泥21，塔身I埋入的深度h不低于塔身I最大外径d的1.5倍。水泥21为硅酸盐水泥，以黏土和石灰石为原料，经高温煅烧得到以硅酸钙为主要成分的熟料，然后加入3.5%的石灰石或粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料；其主要矿物组成是:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙。硅酸三钙决定着硅酸盐水泥四个星期内的强度；硅酸二钙四星期后才发挥强度作用，约一年左右达到硅酸三钙四个星期的发挥强度；铝酸三钙强度发挥较快，但强度低，其对硅酸盐水泥在I至3天或稍长时间内的强度起到一定的作用；铁铝酸四钙的强度发挥也较快，但强度低，对硅酸盐水泥的强度贡献小。娃酸盐水泥的初凝时间50min,终凝时间310min。
[0094]本实施例提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，采用的高强钢，按照质量百分比计为，C 彡 0.20%,Mn:1.0 ?1.7%,Si 彡 0.55%,P 彡 0.045%，S 彡 0.045%，V:0.02 ?0.20%，Nb:0.015 ?0.060%,Ti:0.02 ?0.20%,Al 彡 0.015%,Cr ( 0.40%,Ni ( 0.70%，余量为Fe。
[0095]具体为，C:0.11%, Mn:1.3%, Si:0.45%, P:0.037%, S:0.033%, V:0.14%, Nb:
0.043%, Ti:0.19%, Al:0.025%, Cr:0.36%, Ni:0.57%，余量为 Fe。
[0096]采用上述材料构成的蜂窝式高强钢输电杆塔，提高了输电杆塔的整体承载力和局部稳定性，并通过减小钢管塔所用高强钢板的厚度，来防止加工中的层裂现象和减小焊接难度，在一定程度上解决高强钢用于输电铁塔的困难，推动了高强钢在输电杆塔中的应用。
[0097]本实施例提供的蜂窝式高强钢输电杆塔，为了防腐防锈并延长其使用年限，需要在其表面做防腐防锈处理，最简单有效的方法是在输电杆塔的表面镀锌，但是在外部环境极为恶劣的条件下，如滨海地区和重污染工业区，采用镀锌处理不能达到输电杆塔的使用年限要求，在这种情况下，可以采用镀锌+涂料的方法进行处理，首先在输电杆塔表面镀锌，然后再涂装乙烯树脂或氯化橡胶，使输电杆塔受到双重保护。采用上述方法处理的蜂窝式高强钢输电杆塔可以适应不同环境，有效的避免杆塔的腐蚀生锈，极大地增加了其使用年限，经实验数据显示证明，其使用年限可达到50年以上。
[0098]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种蜂窝式高强钢输电杆塔，包括竖直设置在塔基上的塔身，所述塔身上水平设有横担和地线支架，其特征在于:所述塔身由两端设有法兰的塔节连接而成，所述塔节包括同轴设置的外层和加强层，在所述外层和加强层之间设有蜂窝夹层。
2.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述蜂窝夹层与外层和加强层的间隙均介于3mm?6mm之间。
3.如权利要求2所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述蜂窝夹层与外层和加强层的间隙相等。
4.如权利要求3所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述蜂窝夹层与外层和加强层之间设有粘结层。
5.如权利要求4所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述粘结层包括环氧树月旨、固化剂和铜粉。
6.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述外层、蜂窝夹层和加强层均采用屈服强度大于420MPa的高强钢板。
7.如权利要求6所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述外层的壁厚tl为25mm彡tl > 4.5mm ;所述加强层的壁厚t2为tl彡t2 > 4.5mm ;所述蜂窝夹层的壁厚t3为 t3 < 4.5mm。
8.如权利要求6所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述高强钢板经冷弯为波形板后冲压弯曲焊接成所述蜂窝夹层。
9.如权利要求6所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述高强钢板经冲压弯曲后焊接成所述外层和加强层。
10.如权利要求9所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述外层和加强层的焊缝为直焊缝，所述外层焊缝与加强层焊缝位于同一平面且朝向相反。
11.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，位于所述塔节两端处的外层、蜂窝夹层和加强层之间通过焊接连接。
12.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述塔节与法兰为平接连接，所述法兰与塔节之间设有加劲板。
13.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述法兰与外层和加强层通过焊接分别连接。
14.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述法兰之间通过螺栓连接。
15.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述塔节两端连接法兰后的长度小于等于9米。
16.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述塔基为预埋在水平地面的外杯口型钢筋混凝土基础，由所述塔节连接构成的塔身根部通过水泥固定设置在外杯口型钢筋混凝土基础中；所述塔身埋入的深度h大于塔身最大外径d的1.5倍。
17.如权利要求1所述的蜂窝式高强钢输电杆塔，其特征在于，所述塔身与横担和地线支架之间设有连接节点，所述连接节点包括横纵交叉设置的连接板和加强板，所述连接板和加强板与塔身之间通过焊接连接；所述横担和地线支架通过螺栓与连接节点连接。
【文档编号】E04H12/08GK203924849SQ201420353733
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】王旭明, 刘海锋, 邢海军, 杨靖波, 杨风利, 苏志钢, 黄耀 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网福建省电力有限公司