专题11高强钢的应用研究汇编.docx
- 文档编号:17398670
- 上传时间:2023-07-24
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:52.14KB
专题11高强钢的应用研究汇编.docx
《专题11高强钢的应用研究汇编.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《专题11高强钢的应用研究汇编.docx(20页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
专题11高强钢的应用研究汇编
专题10高强钢的应用研究
内容提要
在输电线路铁塔中使用高强钢,既有明显的技术经济效益,又有利于提高我国输电线路的建设水平。
结合输电线路铁塔结构的特点,在使用高强钢的技术经济性、高强钢设计技术参数的选取等方面进行了探讨和研究,给出了高强钢的相关技术参数以及输电线路中高强钢的使用原则,为输电线路铁塔中高强钢的使用提供了借鉴。
结合本工程输电线路铁塔设计的特点,本报告对铁塔材料强度设计进行了全面研究,从而达到最优的铁塔设计方案。
本工程双回路直线塔,耐张塔荷载较大,采用Q420高强钢各塔型塔重可降低2%~6%。
同时,高强钢的使用简化了结构构造,减轻了单根构件重量,运输、安装等人工费用相应减少,具有较好的经济效益。
将本工程塔身主材的长细比控制在较小值范围,根据计算λ≤80,Q420强度提高8%~22%特点,而对于纯拉杆其长细比控制值可尽量放宽到400以下。
此外,由于铁塔的塔脚板厚度直接由板材强度控制,如果采用Q420钢材可将板厚减小10%左右,故也采用了高强钢。
与Q345相比,Q420、Q460高强钢本身具有强度高的特点,受压构件采用高强钢材,其强度和承载能力均有较大提高,Q420承载力较Q345提高21.7%;Q460承载力较Q345提高34%。
使用高强度钢材,可达到节约钢材的目的,根据综合优化,本工程推荐采用Q420高强钢。
目录
1工程概况1
2高强钢设计技术参数的选取1
2.1材料机械性能1
2.2钢材强度设计值2
2.3材料焊缝的强度设计值2
2.4轴心受压杆件稳定系数3
2.5压杆稳定强度折减系数3
3工程应用研究5
3.1铁塔上使用高强钢部位6
3.2Q420与Q345用钢量的比较6
3.3Q420与Q345承载力比较7
4高强钢螺栓连接问题10
5Q420高强钢焊接及热加工研究10
5.1Q420角钢及钢板的焊接性能分析11
5.2Q420铁塔的焊接建议11
5.3Q420高强钢热加工研究13
6Q420高强钢的低温冷脆研究13
6.1防止和消除Q420钢低温冷脆现象的措施13
6.2结构型式的选择14
7采用高强钢的现实意义14
7.1具有技术先进性14
7.2具有良好的经济性14
7.3有力推进行业的发展进步和提高社会效益15
8结束语15
1工程概况
安徽广德-江塘220kV线路工程,起于在建500kV广德变电站220kV构架,讫于拟建220kV江塘(广三)变电站(以下简称广三变),路径长度约24.6km,全线双回路架设,根据系统专业提资,导线截面为2×400mm²,两根地线均采用36芯OPGW光纤复合架空地线。
投标推荐方案的线路全长24.6km,与可研基本一致。
其中双回路角钢塔段19.1km,双回钢管杆段5.5km,曲折系数为1.11。
新建杆塔84基,其中角钢塔49基(20基耐张和29基直线),钢管杆35基(8基耐张和27基直线)。
长期以来,我国输电线路铁塔所用钢材局限于Q235和Q345两种强度等级,与发达国家相比,品种少,强度值偏低。
当设计荷载增大时,一般采用加大材料规格或组合断面的方法来提高铁塔的承载能力,这必然导致铁塔耗钢量的增加,从而造成投资和资源消耗的增加。
高强钢具有强度高、承载能力强的特点,采用高强钢自然成为缓解上述矛盾的措施之一。
目前,我国在高强钢研究、生产、应用等方面已取得了一定的成果,为输电铁塔应用高强钢创造了基本条件。
因此,开展输电铁塔应用高强钢的研究,在工程中合理地采用高强度等级结构钢材,不仅有技术、经济等方面的现实意义,而且有利于提高我国输电线路建设水平,提高行业在国际市场上的竞争力。
2高强钢设计技术参数的选取
2.1材料机械性能
依据国家标准GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》,给出铁塔中采用的高强钢机械性能参数如表2.1-1所示。
表2.1-1高强度钢材机械性能
标
准
代
号
牌
号
拉伸试验
180º冷弯试验
d:
弯心直径
A:
试样厚度(mm)
屈服点fy(N/mm2)
抗拉强度fu(N/mm2)
伸长率δ%
不小于
钢材厚度/直径(mm)
≤16
>16~35
>35~50
GB/T1591-2008
Q390
390
370
350
490~650
19
d=2a≤16
d=3a>16~100
GB/T1591-2008
Q420
420
400
380
520~680
18
d=2a≤16
d=3a>16~100
GB/T1591-2008
Q460
460
440
420
550~720
17
d=2a≤16
d=3a>16~100
2.2钢材强度设计值
依据GB50017-2003《钢结构设计规范》和GB50545-2010《110~750kV架空输电线路设计规范》,给出高强钢的强度设计值如表2.2-1所示。
表2.2-1高强度钢材的强度设计值N/mm2
类别
材料
厚度或直径
mm
抗拉f
抗压和抗弯f
抗剪fv
孔壁承压fc
钢材
Q390
≤16
>16~35
>35~50
350
335
315
350
335
315
205
190
180
530
510
480
Q420
≤16
>16~35
>35~50
380
360
340
380
360
340
220
210
195
560
530
510
Q460
≤16
>16~35
>35~50
415
395
380
415
395
380
240
230
220
590
560
540
2.3材料焊缝的强度设计值
依据GB50017-2003《钢结构设计规范》,选取高强钢材料焊缝的强度设计值见表2.3-1。
表2.3-1高强钢材料焊缝的强度设计值N/mm2
焊接方法和焊条类型
构件钢材
对接焊缝
角焊缝
钢号
厚度或直径
mm
抗压
焊缝质量为下列等级时,抗拉和抗弯
抗剪
抗拉、抗压和抗剪
一、二级
三级
自动焊、半自动焊和E55XX型焊条的手工焊
Q390
≤16
>16~35
>35~50
350
335
315
350
335
315
300
285
270
205
190
180
220
自动焊、半自动焊和E55XX型焊条的手工焊
Q420
≤16
>16~35
>35~50
380
360
340
380
360
340
320
305
290
220
210
195
220
自动焊、半自动焊和E60XX型焊条的手工焊
Q460
≤16
>16~35
>35~50
415
395
380
415
395
380
350
335
325
240
230
220
240
2.4轴心受压杆件稳定系数
计算铁塔角钢受压稳定时,稳定系数仍采用GB50017-2003《钢结构设计规范》或02规范上的b类稳定系数。
即:
时,
>0.215时,
b类截面:
实际设计时,只要将构件长细比按kλ
换算后,查《钢结构设计规范》附录C或《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》附录D中Q235钢的
值。
表2.4-1仅列出Q420b类截面高强钢的轴心受压构件的稳定系数
,Q420高强钢其它截面类型以及Q390、Q460高强钢轴心受压稳定系数可参照上述方法同样取得。
2.5压杆稳定强度折减系数
对于高强钢,压杆稳定强度折减系数为
取值方法如下:
当
时
=1.0
当
时
=1.677-0.677
由以上公式可见,对于高强钢,《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154-2002)的8.1.2-2公式中分子值分别由202减少为200、363减少为359。
Q420钢代替Q345时,折减系数的分界点由11.47降为10.26。
这样将造成Q420角钢因宽厚比需要进行强度折减的规格比Q345的规格多;同时Q420薄壁角钢构件承压时,在强度上相对与Q345角钢要有更多的折减。
角钢肢宽80mm以上的角钢折减系数
对比,见表2.5-2。
表2.5-1Q420b类截面轴心受压构件的稳定系数
Kλ
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1.000
1.000
0.999
0.999
0.998
0.997
0.995
0.993
0.991
0.989
10
0.987
0.984
0.981
0.977
0.974
0.970
0.965
0.961
0.956
0.952
20
0.947
0.943
0.938
0.933
0.929
0.924
0.919
0.914
0.909
0.903
30
0.898
0.893
0.887
0.882
0.876
0.871
0.865
0.859
0.853
0.846
40
0.840
0.834
0.827
0.820
0.813
0.806
0.799
0.792
0.785
0.777
50
0.769
0.762
0.754
0.746
0.737
0.729
0.721
0.712
0.704
0.695
60
0.686
0.678
0.669
0.660
0.651
0.642
0.633
0.624
0.615
0.606
70
0.597
0.588
0.579
0.571
0.562
0.553
0.545
0.536
0.528
0.519
80
0.511
0.503
0.495
0.487
0.479
0.472
0.464
0.457
0.449
0.442
90
0.435
0.428
0.421
0.415
0.408
0.402
0.395
0.389
0.383
0.377
100
0.371
0.365
0.360
0.354
0.349
0.343
0.338
0.333
0.328
0.323
110
0.318
0.313
0.309
0.304
0.300
0.295
0.291
0.287
0.283
0.279
120
0.275
0.271
0.267
0.263
0.260
0.256
0.253
0.249
0.246
0.242
130
0.239
0.236
0.233
0.230
0.227
0.224
0.221
0.218
0.215
0.212
140
0.210
0.207
0.204
0.202
0.199
0.197
0.194
0.192
0.190
0.187
150
0.185
0.183
0.181
0.179
0.177
0.175
0.172
0.170
0.169
0.167
160
0.165
0.163
0.161
0.159
0.157
0.156
0.154
0.152
0.151
0.149
170
0.147
0.146
0.144
0.143
0.141
0.140
0.138
0.137
0.135
0.134
180
0.132
0.131
0.130
0.128
0.127
0.126
0.125
0.123
0.122
0.121
190
0.120
0.119
0.117
0.116
0.115
0.114
0.113
0.112
0.111
0.110
200
0.109
0.108
0.107
0.106
0.105
0.104
0.103
0.102
0.101
0.100
210
0.0992
0.0984
0.0975
0.0966
0.0958
0.0949
0.0941
0.0933
0.0925
0.0917
220
0.0909
0.0901
0.0893
0.0886
0.0878
0.0871
0.0864
0.0856
0.0849
0.0842
230
0.0835
0.0828
0.0822
0.0815
0.0808
0.0802
0.0795
0.0789
0.0783
0.0776
240
0.0770
0.0764
0.0758
0.0752
0.0746
0.0741
0.0735
0.0729
0.0724
0.0718
表2.5-2Q420、Q345角钢折减系数
对比
规格
Q420mN
Q345mN
规格
Q420mN
Q345mN
L80X6
0.962
1.000
L140X10
0.912
0.992
L80X7
1.000
1.000
L140X12
1.000
1.000
L80X8
1.000
1.000
L140X14
1.000
1.000
L90X6
0.863
0.949
L160X10
0.793
0.886
L90X7
0.989
1.000
L160X12
0.951
1.000
L90X8
1.000
1.000
L160X14
1.000
1.000
L90X10
1.000
1.000
L160X16
1.000
1.000
L100X7
0.913
0.994
L180X12
0.841
0.930
L100X8
1.000
1.000
L180X14
0.970
1.000
L100X10
1.000
1.000
L180X16
1.000
1.000
L110X7
0.819
0.910
L180X18
1.000
1.000
L110X8
0.935
1.000
L200X14
0.885
0.969
L110X10
1.000
1.000
L200X16
0.992
1.000
L125X8
0.827
0.917
L200X18
1.000
1.000
L125X10
1.000
1.000
L200X20
1.000
1.000
L125X12
1.000
1.000
L200X24
1.000
1.000
3工程应用研究
钢材材质为现行国家标准《碳素结构纲》GB/T700中规定的Q235、《低合金高强度结构钢》GB/T1591中规定的Q345。
2003年,我国《钢结构计规范》GB50017-2003中增加了Q420钢材,强度比Q345提高了21.7%,为我国的输电线路铁塔设计降低铁塔钢材指标提供了有力支撑。
根据国内已建成的输电线路的资料分析,铁塔的造价约占线路本体投资的1/3。
研究分析结果表明,输电线路铁塔使用Q420高强钢可有效减轻塔材重量2%~6%,节省整体造价2%~6%;使用Q460高强钢可有效减轻塔材重量8%~12%,节省整体造价5%~8%。
对降低输电线路的工程投资、保证线路的长期安全运行具有重大意义。
3.1铁塔上使用高强钢部位
本次工程所用铁塔分三个不同气象区设计,单回路直线塔荷载比较小,高强钢的使用率不高,耐张塔和双回路直线塔荷载比较大,塔身主材规格基本都大于Q345L125X10,因此我们按照高强钢对本模块塔型重新进行了计算。
下面以用量最大的直线和转角塔为例,说明该工程高强钢的应用研究情况。
根据计算比较,Q420高强钢主要应用在下横担以下的塔身主材、横担、导线挂线角钢等位置(如图示)。
这些位置杆件或者受力很大,或者主要承受拉力,能够充分发挥高强钢的强度优势。
在这些杆件中,将塔身主材的长细比控制在较小值范围,以发挥Q420的高强度特点,而对于纯拉杆其长细比控制值可尽量放宽到400以下。
主材接头主要采用内角钢外贴板的双包形式,内包角钢及外贴板也根据主材规格的大小使用相应规格的Q420高强钢。
此外,由于铁塔的塔脚板厚度直接由板材强度控制,如果采用Q420钢材可将板厚减小10%左右,故也采用了高强钢。
3.2Q420与Q345用钢量的比较
为满足工程建设需要,降低铁塔经济指标,采取的重要措施之一就是采用高强度结构钢材。
现有研究分析成果表明:
1、在受压强度控制及受拉控制时高强钢具有明显优势,受压稳定控制时,不同长细比高强钢的承载力提高幅度不同,构件长细比λ应控制在80以下,且越小其优势越大;当构件长细比λ大于80时,构件由稳定控制,不宜采用Q420、Q460角钢选材。
具体承载力对比见下表。
表3.2-1高强度结构钢与Q345钢承载力对比表
项目
Q345
Q390
Q420
Q460
λ≤40
100%
111%~113%
119%~122%
128%~133%
40﹤λ≤80
100%
105%~111%
108%~119%
112%~128%
80﹤λ≤120
100%
100%~105%
102%~108%
105%~112%
λ﹥120
100%
100%
100%
100%
2、构件强度越高,角钢的宽厚比越大时,其应力折减越高,为减小其影响,尽量选用角钢肢宽与肢厚比较小的角钢。
3、强度等级越高,材料规格降低的空间越大,降低塔重的比例越高。
4、Q390钢在受压稳定控制的构件中不建议采用,其降低塔重的空间不大,经济性在Q390、Q420、Q460钢中最差。
根据专题报告的分析,使用Q460钢的经济效益比使用Q420钢更明显,但我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中只提到了Q390和Q420,没有提到Q460,缺少必要的设计参数和工程应用经验,因此本工程中不推荐采用Q460高强钢。
Q390钢与Q345钢相比,钢材屈服强度只提高了13%,而Q420则提高了22%,采用Q390钢与常规设计相比,塔重减少幅度较小,而采用Q420钢则塔重减少较为明显。
此外,目前国内Q390钢的价格与Q420钢的价格基本相同,综合比较经济指标,采用Q390钢并不经济。
因此,本工程主要受力主材推荐采用Q420钢材。
5、Q420钢主要用于受力较大的主材和斜材,一般规格大于L125X10以上的角钢可采用Q420钢。
3.3Q420与Q345承载力比较
Q420高强钢钢材强度较Q345钢可提高22%,压杆稳定系数较Q345在0~80长细比内降低4~10%。
另外,Q420钢材替代Q345钢材后,需要进行强度折减的规格比Q345的规格多,折减量也更大。
表3.3-1为按不同长细比考虑角钢折减系数
后Q345角钢与Q420角钢承载力比值。
由表3.3-1可以看出,当构件长细比λ小于40时,构件通常由强度控制,采用Q420角钢选材,构件承载力可以得到大幅提高,材料规格可以得到降低。
当构件长细比λ在40~80之间时,构件通常由稳定控制,可采用Q420角钢选材,但规格大都只能降一级。
当构件长细比λ大于80时,构件由稳定控制,采用Q420角钢有时不能降低材料规格,建议此时可不采用Q420高强钢。
另外,对于角钢折减系数
过大的角钢如L110X7、L160X10等,考虑到高强钢协议单价高10%的因素,构件承压时采用高强钢经济性并不明显,有时甚至更贵,建议一般不采用。
表3.3-1Q420角钢与Q345角钢承载力的比值
长细比
规格
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
L110x7
1.101
1.094
1.086
1.074
1.056
1.032
1.005
0.981
0.963
0.951
0.942
0.936
L110x8
1.143
1.135
1.127
1.115
1.096
1.071
1.043
1.019
1.000
0.987
0.978
0.971
L110x10
1.223
1.215
1.206
1.193
1.173
1.146
1.116
1.090
1.070
1.056
1.046
1.039
L125x8
1.103
1.096
1.088
1.076
1.058
1.034
1.007
0.983
0.965
0.952
0.944
0.937
L125x10
1.223
1.215
1.206
1.193
1.173
1.146
1.116
1.090
1.070
1.056
1.046
1.039
L140x10
1.123
1.116
1.108
1.096
1.077
1.052
1.025
1.001
0.983
0.970
0.961
0.954
L140x12
1.223
1.215
1.206
1.193
1.173
1.146
1.116
1.090
1.070
1.056
1.046
1.039
L140x14
1.223
1.215
1.206
1.193
1.173
1.146
1.116
1.090
1.070
1.056
1.046
1.039
L160x10
1.094
1.087
1.079
1.067
1.049
1.025
0.998
0.975
0.957
0.944
0.936
0.930
L160x12
1.163
1.156
1.147
1.135
1.116
1.090
1.062
1.037
1.018
1.004
0.995
0.988
L160x14
1.223
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 专题 11 高强 应用 研究 汇编
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)