高强铝合金结构在输变电工程中的应用与发展研究

徐剑佩 ,吴 将 ,郭 勇 ,单双波

（1.国网浙江省电力有限公司建设分公司,浙江 杭州 310009;2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司,浙江 杭州 310012;3.华业钢构有限公司,浙江 宁波 315200）

随着改革开放的深入与产业结构的转型升级,我国经济稳步发展,电力能源的需求也随之快速上升.近年来,为了满足全国各区域工业生产和经济发展的需求,通过特高压实现西电东送和跨区域调配,形成全国联通的国家电网,大幅提升了电力能源配置能力和电网稳定安全供电水平.作为保障社会运行的生命线工程,输变电工程的建设与人们的生产和生活息息相关[1].

然而,随着城市化建设的不断推进,使得输变电工程的规划从郊区逐渐向山地偏远地区迁移.传统输变电工程中通常采用钢构件,例如输电线路杆塔一般采用角钢或者圆钢管,单件重量较重.在一些偏远山区交通运输极为不便,大型施工机械无法进入场地,输变电工程的钢构件依然需要靠人力或者畜力运输,增加了施工安装的成本和安全隐患.

此外,对于一些工业区和沿海城市,大气环境腐蚀较强,为了避免钢构件的锈蚀,通常需要采用镀锌防腐工艺,不仅增加了成本,而且对环境污染极大,不符合绿色和可持续发展的理念.同时,镀锌保护层的耐久性有限,需要定期检查和涂刷防锈漆,也增加了后期维护和检修的成本.

相比于传统钢结构,铝合金材料在轻质和耐腐蚀方面有着天然优势,因此高强铝合金结构在输变电工程中的应用意义重大.本文介绍了工程常用高强铝合金材料的基本特性,以及在国内外输变电工程中的应用情况,归纳了高强铝合金结构的应用优势.同时,针对铝合金的特性指出了在输变电工程设计中可能存在的问题,并对高强铝合金结构在输变电工程中的推广应用于发展提出了建议.

1 铝合金的材料特性

工程中常用的铝合金为经过固溶热处理和人工时效的6 系铝硅镁合金.表1 中对比了结构用铝合金和Q235 钢的基本物理和力学特性[2-3].其中ρ和α分别为材料的密度和线膨胀系数,E、G、ν分别为材料的弹性模量、剪切模量和泊松比.对于钢材来说,fy为屈服强度;但对于铝合金,由于没有明显的屈服平台,f0.2是残余应变为0.2%时所对应的名义屈服强度.fu和δ分别为材料的极限抗拉强度和伸长率.

表1 铝合金挤压型材物理和力学性能(标准值)

结合铝合金与钢材的物理力学性能参数对比情况,在结构工程中采用铝合金代替传统钢结构的优势在于以下几个方面:

(1)铝合金自重较钢材轻,对于相同尺寸的构件,铝合金重量仅为钢材的1/3 左右.这使得铝合金便于运输和安装,极大地减少了劳动力成本.

(2)铝合金氧化后能形成直面的保护层,具有优异耐腐蚀性,特别适用于污染较重的腐蚀性环境,减少了后期维护成本.相比之下,钢构件需要镀锌防腐,不仅污染了环境,而且增加了工艺和后期维护成本.

(3)铝合金的熔点远低于钢材,可以轻松地通过挤压生产出各种截面型式的构件,可充分发挥材料的性能.

(4)铝合金的回收率非常高.回收制造后性能不变,符合绿色环保和可持续发展的理念,提高了综合经济效益.

铝合金的这一系列特点非常适用于输变电工程中的应用,例如输电塔、变电站构架等.但是需要注意到,铝合金弹性模量仅为钢材的1/3,这意味着铝合金结构的稳定性较钢材差,且铝合金在荷载作用下的变形较钢材大.虽然6061-T6 高强铝合金挤压型材的名义屈服强度f0.2与Q235 钢材接近,但是极限抗拉强度fu远低于钢材,屈强比小,且伸长率较钢材差.因此可通过调整合金组成成分以提高铝合金的名义屈服强度,但弹性模量没有发生改变,即名义屈服强度越高的铝合金,其稳定问题更为突出.此外,铝合金的线膨胀系数为钢材2 倍,高温下变形较钢材大.因此,铝合金的稳定问题和挠度控制分别是研究和应用过程中的重点.

2 高强铝合金在国内外输变电工程中的应用

2.1 输电塔

高强铝合金结构在输电塔中的应用可以追溯到20 世纪60 年代,加拿大采用角铝建造了Y 型输电塔用于单回路的500 kV 线路[4].1960 年,美国Delaware 建造了一条双回路220 kV 线路,由于该线路穿越重工业聚集区,大气腐蚀性强,设计者采用了6061-T6 角铝建造了铝合金输电塔[5].到20 世纪80 年代初,前苏联设计建造了拉线门式铝合金输电塔,并应用于偏远的高加索山区[6].由此可以看到,目前铝合金结构在输电塔中的应用主要以拉线塔为主[7].

当前,高强铝合金结构在我国高压输电塔中的应用尚未见报,仅在通信塔中有所应用.国内对铝合金结构在杆塔中的应用最早是1994 年建于盐城市的铝合金通讯塔,但是由于荷载计算不足,以及设计方法不当,该通讯塔在使用数月后倒塌[8].2009 年,在上海崇明岛建造了30 m 高的铝合金通信塔,该工程采用6061-T6 铝合金材料,用于抵抗海边高腐蚀环境,取得了很好的效果[9].

2.2 抢修塔

输电线路在极端气候条件下或者受人为损坏影响,可能发生倒塌事故.对于此类事故通常采用抢修塔快速恢复供电.此时,模块化安装的通用轻质铝合金抢修塔就展现了独特的优势.文献[10-12]记录了近年国内生产、设计和应用的铝合金抢修塔案例.2013 年,浙江萧山的抢修塔组织演练表明,采用铝合金抢修塔,效率提升了12 倍,节约了人力资源60%[4].

2.3 变电站构架

1960 年,前新英格兰电力系统公司在户外变电站构架中采用铝合金代替传统的木结构和镀锌钢结构.在后续的几十年里,铝合金作为构架材料备受英国国家电网公司青睐,其中主要采用了6 系铝合金作为受力构件.文献[13]表明,1960 年安装的铝合金变电站构件依然正常使用,仅在水渍聚集处和与混凝土直接接触处出现变色斑点和点状腐蚀凹坑,表明了铝合金材料优异的耐久性.虽然由于铝合金价格高于钢材,初期投入较高,但是综合考虑运输、施工和长期的维护成本,铝合金的综合经济效益不菲.

3 铝合金杆塔研究现状与存在问题

3.1 高强铝合金压杆稳定性的国内外研究现状

国外对于铝合金结构的研究可追溯至20 世纪40 年代,近80 年来关于铝合金材料、承载力计算、节点连接和设计方法等方面研究不断得到发展[14].目前国外的铝合金结构设计规范主要有欧洲规范(Eurocode 9)[2],美国铝业协会的铝合金结构设计手册(Aluminum Design Manual)[15],加拿大标准协会的铝合金强度设计规范(CSA S157-17)[16],及澳大利亚和新西兰的铝合金结构标准AS/NZS 1664.1:1997)[17].

Lai 等[18]通过数值计算分析了包含纵向和横向焊接的工字形和T 形铝合金压杆弯曲屈曲和弯扭屈曲.Langseth 等[19]研究了铝合金方管的轴压局部屈曲,表明铝合金材料的应变硬化对屈曲后强度有较大影响.Landolfo 等[20]分析了大长细比铝合金构件的极限承载力,包括箱型、帽形和槽型截面,研究表明铝合金和钢材不同的应变硬化性能导致了屈曲行为的差异,认为采用有效厚度法对截面厚度进行折减缺乏明确物理意义.Hopperstad 等[21]研究了十字形截面的弹塑性屈曲强度,结合切线模量和有效宽度理论,提出了考虑屈曲后强度的计算公式.Rasmussen 等[22]对铝合金工字形截面和圆管承载力进行了研究,基于Perry-Robertson公式拟合了初始缺陷系数,给出了稳定系数的计算方法.Faella 等[23]进行了6 系铝合金的短柱试验得到了弹塑性屈曲应力下对应的应变,提出了考虑板组效应的截面分类方法.Zhu 等[24-27]对两端固支铝合金矩形管、方管和圆管开展了试验和有限元数值的分析验证,并考虑了横向焊缝的影响.Mazzolani等[28]通过对角铝的轴压试验,研究了弹塑性局部屈曲,提出了考虑板组相互作用的角铝截面分类准则.Ashraf 等[29]归纳了铝合金焊接和非焊接柱的轴压试验数据,基于连续强度法,提出了考虑应变硬化的承载力计算公式.Su 等[30]开展了铝合金方管短柱试验,拟合了局部屈曲应变和板件长细比之间关系,给出了铝合金短柱的连续强度法计算公式.随后,Su 等[31-32]结合有效宽度的概念,将连续强度法推广至所有长细比范围的铝合金压杆承载力计算,并依据截面的屈曲应力和正则化长细比对铝合金截面进行分类.需要注意的是,上述连续强度法在计算截面屈曲应力时,并没有给出显式的表达式,而是依赖有限条分法或者有限元法进行计算.文献[33-36]分别对铝合金异形柱进行了分析,考虑了不同屈曲模态的相互作用,并与直接强度法和各国规范进行比较.文献[37-39]通过试验和有限元分析,研究了6082-T6 高强铝合金圆管、矩形管、角形和H 形截面压杆的稳定承载力,提出了承载力设计方法.文献[40-44]研究了侧面开洞对铝合金圆管、方管和矩形管的轴压承载力影响,结果表明其中开洞对大长细比构件的承载力削弱最为显著,并依据试验和有限元分析结果提出了承载力折减系数计算方法.文献[45-46]进行了7 系高强角铝的轴压承载力试验,研究结果表明短试件表现为局部屈曲破坏,中等长细比试件表现为弯扭失稳,大长细比试件表现为绕弱轴弯曲失稳.Wang 等[47]研究了一端铰接、一段固支的工字形截面轴压稳定性,试验和有限元分析结果表明材料的应变硬化能力越强,各国规范计算结果却越偏保守;此外还进行了不同温度对6082-T6 高强铝合金工字形柱轴压承载力的影响,提出了承载力的温度折减系数.Zhu 等[48-50]进行了C 形和卷边C 形的承载力试验和有限元参数分析,在欧洲规范的基础上提出了设计方法,并考虑了高温对承载力的影响.

国内关于铝合金结构的研究起步相对较晚,2000 年前后在全国多地建成了铝合金空间网架结构,如1996 年的天津市平津战役纪念馆、2002 年的上海植物园等[14].2001 年上海市出版了地区的《铝合金格构结构技术规程》,直到2007 年我国发布《铝合金结构设计规范》（GB50429-2007）[3].但是,国内当前的铝合金结构多用于大跨度屋面空间结构和铝合金人行天桥[51].规范更多是针对民用建筑领域的应用,并不完全符合输变电工程的实际情况,并且该规范主要是针对5 系和6 系铝合金的试验和分析得到的,对于高强铝合金牌号尚有待补充.

文献[52-54]较早通过试验研究了6061-T6 铝合金圆管和工字形压杆的整体稳定.沈祖炎等[55]进行了H 形和圆形铝合金压杆试验,分析了材料特性、初偏心、初弯曲和截面形状对承载力的影响,并基于Perry-Robertson 公式拟合了稳定系数计算公式.杨联萍等[56]进行了6061-T6 铝合金工字形和圆管试验和承载力分析,但是长细比趋近于0 时,其提出的稳定系数公式计算值趋近于0.85,显得过于保守.金鑫[57]研究了铝合金材料的本构关系,并基于切线模量理论给出了弹塑性情况下,单轴对称截面铝合金压杆弯曲屈曲和弯扭屈曲的长细比计算公式,最后开展了试验和有限元分析,给出了计算公式.吴亚舸等[58]依据平衡微分方程,推导了相邻板件约束对屈曲应力的影响,给出了考虑相邻板件约束作用的正则化长细比.吴芸等[59-63]研究了纵向焊接的热影响区宽度,分析了焊接后的残余应力,并通过试验比较了贴脚焊和剖口焊对工字形铝合金压杆的承载力影响.董震等[64-65]总结了铝合金轴压构件不同屈曲模态的临界应力计算公式,并在此基础上给出了薄壁铝合金构件的直接强度法计算公式;同时也进行了6082-T6 高强铝合金工字形和箱型截面轴压试验,并依据直接强度法公式提出计算公式.王元清等[66]分析了铝合金板件的局部屈曲,依据铝合金材料不同的应变硬化能力,给出了考虑板组效应的宽厚比限值.常婷等[67]进行了工字形短柱、中长柱的试验和有限元分析,对有效厚度法公式提出了修正.郑韶挺[68]对大规格工字形和矩形铝合金构件进行了轴压试验,结果表明国内铝合金规范和欧洲规范略偏保守,而美国铝合金规范对大规格截面型钢的整体稳定偏于不安全.郑秀梅[69]进行了方形、圆形、角形、H 形、槽型截面的铝合金构件轴心受压试验,并对国内铝合金规范公式的系数进行了改进.

3.2 高强铝合金杆塔整体结构研究

相比于铝合金构件的研究,针对铝合金整体结构的研究相对较少.王衍林[11]进行了铝合金抢修塔试验研究,指出在设计时应考虑拉线处产生的不平和弯矩的影响.陈驹等[70]分析了铝合金在输变电构架中的综合经济性.束康[71]采用7 系高强铝合金进行了塔型比选,结果表明铝合金杆塔在40～60 m时较为经济,斜率为85°～87°为宜.伊丽娜等[72]分析了不同风向角作用下,结构采用刚接和铰接对内力的影响.臧亦天[1]进行了6 系铝合金杆塔的优化,对于27～39 m 的铝合金输电塔,整体宽高比在0.2 左右,上部宽高比在0.02 左右为宜,且当塔腿和边坡处较为薄弱时,设计时需特别关注.Hu 等[7]分析对比了相同设计条件下的铝合金杆塔和角钢塔,结果表明铝合金杆塔的质量仅为角钢塔的70%左右.

3.3 问题与研究建议

民用建筑领域铝合金结构多采用矩形、方形、工字形和圆管等截面形式.但对于输变电工程而言,特别是输电塔,角形截面由于其简单的截面形式和安装连接的便利性而备受青睐.针对输变电工程的特点,铝合金结构可能存在的问题和研究建议如下:

(1)铝合金构件的弹性模量较低,而角形截面由外伸板件组成,局部稳定性较差,对于铝合金构件在杆塔中的稳定承载力、长细比限值以及截面的尺寸优化需要进一步研究.

(2)铝合金弹性模量的降低导致铝合金结构在荷载作用下可能产生较大的变形,特别对于高耸的输电塔和外伸的横担而言,如何优化结构形式和构件尺寸,在满足变形要求的情况下,使采用铝合金结构的杆塔经济性更优化问题需要深入的分析和研究.

(3)杆塔中的铝合金构件通常采用螺栓连接,螺栓的数目和节点板的刚度将影响到杆件的端部约束以及内力分布,考虑铝合金杆塔中端部约束对内力和构件承载力的影响值方面值得进一步分析.

(4)铝合金材料本身具有较好的耐腐蚀性,但是当节点板或者螺栓采用钢材时,由于不同金属材料之间电位差的存在,可能导致电化学腐蚀,因此铝合金结构的连接方式和材料需要进行针对性分析.

(5)铝合金结构的延性和曲强比较低,设计时需要考虑结构的变形能力和可靠度.

(6)6 系以上的高强牌号铝合金材料的性能和构件承载力计算方法需要进一步试验分析.

(7)铝合金杆塔的风荷载大小和风荷载作用下的结构失效机理需要厘清.

(8)铝合金结构由于线膨胀系数是钢材的2 倍,且熔点较低,其变形和承载力受温度影响较大,铝合金在高温下的承载力以及变形的影响需要深入研究.

4 结论与展望

高强铝合金结构在民用建筑和一些特殊用途的结构中的应用已经越来越广泛,而在输变电工程中的应用仍基本处于空白.本文对高强铝合金结构在输变电工程中的应用研究与发展进行了探讨,整理分析了国内外采用铝合金结构的输变电工程,结合铝合金材料本身的物理和力学性能,对铝合金结构在输变电工程中应用的优缺点进行了分析,并提出了可能存在的问题以及研究建议,以期推动铝合金结构在输变电工程中的应用,提高输变电工程的可靠性和稳定性,实现可持续的长效发展.