电力铁塔技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

高强冷弯型钢的优势：

近年来，随着我国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，与传统轧制型材相比，冷弯薄壁型钢具有断面材料分布合理、回转半径大、抗弯和抗扭性能好等特点。它不是像热轧型钢以增加材料面积来提高其承载力，而是通过变化型钢断面形状达到提高承载力和节约钢材的目的。

1、经济的截面特性。铁塔中腹杆的工作状态大多是大长细比的压杆失稳，采用角钢等型材，截面特性无明显优势，且可选择的规格有限。冷弯型钢可根据构件受力特点选择合适截面形式，充分发挥其截面界面特性，使其更经济合理。

2、随意的产品规格。一座10吨重的常规铁塔，要用到不同规格的角钢多达25种，要保证同时采购到规格品种如此众多、批量不大的型材难度可想而知。因此，铁塔加工经常出现塔材规格以大替小的代料，在铁塔加工企业中因塔材代料造成5%的浪费是很正常的，多的可达10%。而冷弯薄壁型钢的生产设备简单，一套冷轧机可生产多种规格的型钢，生产的批量、规格不受限制，这就为铁塔用材的供货来源提供了有力的保障。

3、可变的产品定尺。一座10吨重的铁塔通常由近2000根构件组成，铁塔各构件的长短不一。当前热轧型钢都是定尺产品，因此使用热轧型钢进行塔材下料时，经常出现材料余头，这种由于材料定尺造成的材料损耗多达5%。而冷弯钢产品可按用户需要提供各种尺寸的型钢，成材率高(达99%)，下脚余料少，可有效减少铁塔加工中的材料损耗。

4、多样的形状。冷弯薄壁型钢截面形状的多样性，可以避免采用90度角钢只能将铁塔设计成方形或矩形以及塔身变坡引起连接构件不共面的弊病，它为设计者设计新型、合理铁塔开创了灵活条件。如可建立三立柱铁塔，铁塔腹杆体系也可进行优化，可设计出更合理的铁塔腹杆布置，这为设计各种新型铁塔体系，进一步减轻铁塔重量、节约材料、减少构件数开创了新途径。

5、高强度的型材。对于铁塔采用的高强度材料型钢，若采用冷弯型钢产品，可有效避免热轧型钢供货批量限制和轧制工艺困难等缺陷。

6、防腐问题。由于输电线路长期在野外运行，为保证铁塔安全，输电铁塔通常采用热镀锌防腐。冷弯薄壁型钢由于截面形状多变、型钢壁薄不太适宜热镀锌。目前，一些先进的防腐技术和工艺在不断地出现，如采用耐候材料和新镀层工艺，为冷弯薄璧型钢的防腐提供了良好的解决措施。

高强耐候钢的生产工艺已经日趋成熟，已广泛用于铁路系统。在输电铁塔上采用高强耐候冷弯型钢材料，与制造铁塔的传统生产方式相比，虽材质的一次性投资略高，但由于去掉了防腐工序，其经济效益和社会效益显著，经粗步测算，每吨成本可下降20%左右。

在上世纪80年代末期，有关科研单位就开始着手冷弯薄壁型钢用于输电铁塔的可行性研究，但由于当时冷弯型钢的价格较高和技术手段不够完善，加上早期的铁塔规模都较小，已有的热轧型钢完全就可满足使用要求，项目未能立项。近年来。随着我国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，这些经济型材用量在逐年增加，加工成本在降低，加上其自身截面的优良性能，经济效益更为显著。这为冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用提供了可能性。

使用冷弯薄壁型钢可有效地节约资源和能源。在输电铁塔上推广使用高强耐候冷弯型钢，不仅可减少铁塔耗钢，还能降低加工成本，避免环境污染。是一项有显著经济效益和环保意义的工作，所以应及时开展高强冷弯型钢，尤其是高强耐候冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用研究。

第二节 产品工艺特点或流程

某发电厂二期220kV高压输电线路全长11.3公里，线路共设铁塔36基，其中大转角铁塔6基，小转角塔6基，直线塔24基；每基铁塔共4根灌注桩。根据岩土工程勘查资料显示，该线路沿线为荒地和耕地，地貌单一，属黄河三角洲冲积平原，标准冻土深度为0.64m；该场地抗震设防烈度为7度，存在新近堆积软弱土，拟建铁塔基础位于常年地下水位以下,地下水对混凝土具有弱腐蚀性，对钢筋具有强腐蚀性。场地等级为二级中等复杂场地，岩土种类较多，且不均匀，性质变化较大，地基等级为二级。根据上述工程地质资料，通过大量的计算及经济比较，采用挤扩灌注桩代替普通混凝土灌注桩。本工程共节省混凝土271.1m3、钢筋24.6t，其中6基大转角(终端塔)铁塔基础节省混凝土174.6m3、节省钢筋7.8t；6基小转角铁塔基础节省混凝土22.1m3、节省钢筋3.4t；24基直线铁塔基础节省混凝土74.4m3、节省钢筋13.4t；同时也大大降低了人工及材料运输费用，加快了施工进度，经济效益显著。

1、铁塔基础的特点

铁塔基础主要以上拔力为主(一般满足上拔力，下压力均能满足要求)，由于高压送电线路一般位于荒地郊外，交通不便，加之该地区地下水位较高、工程地质条件较差、工期紧等因素，采用独立基础难以满足要求，而灌注桩具有技术成熟、施工速度快、施工方便等特点，因此被广泛采用。

2、铁塔基础的选型与设计

针对铁塔基础以上拔为主的特点，结合当地的工程地质情况及施工技术条件，对铁塔基础的选型进行大胆的探索与尝试。而挤扩灌注桩具有良好的承压、抗水平、抗冲剪和抗拔能力,通过试算分析比较挤，扩灌注桩比普通灌注桩平均节约30％的混凝土量(其中SJ3-24(9#)塔基础充分利用最下面承力盘的端阻力，仅一个承力盘就能承担上拔力515kPa，节约混凝土量高达70％、节约钢材约1.3t)，从而缩短了施工工期、大大地降低了工程投资。故本工程铁塔基础均采用挤扩灌注桩基。另外，挤扩灌注桩克服了以往一些桩型的缺点，可以说是直孔桩的改进，主要有以下特点：

1）特点

（1）施工工艺简单、速度快、无振动和噪音、机械化程度高；

（2）多支盘成型设备方便灵活，操作简单，故可与大多数成孔机械配合使用；

（3）挤扩灌注桩具有设计灵活、适应性强等优点。

挤扩灌注桩可在多种土层中成桩，不受地下水位的限制，并可以根据承载力的需要采取增设分支或承力盘数量来提高单桩承载力。由于桩身承力盘或支盘是通过液压弓臂挤扩土层形成的，挤扩过程相当于静力触探，施工过程同时也是对土层承载力的一种检验，因此施工时能大概了解到单桩承载力的大小，当发现与设计承载力有差别时，可通过支改盘或增设分支来确保单桩承载力，这是普通灌注桩无法实施的。

2）挤扩灌注桩设计应注意的问题

挤扩灌注桩设计应注意的问题：在进行铁塔基础的设计前，应要求岩土工程勘察部门提供下列勘察资料：

（1）分析塔位成孔和成桩的可能性、挤土效应的影响，并提出保护措施建议；

（2）提供静力触探试验曲线或标准惯入试验测得的锤击数N沿深度的变化曲线；

（3）提供塔位柱状图及桩周各土层侧阻力和端阻力特征值，并通提供设置承力盘层位的建议。

3）挤扩灌注桩的分支与承力盘设置

挤扩灌注桩的分支与承力盘不得设置在下列土层中：

（1）淤泥及淤泥质土层；

（2）液化土层；

（3）浅岩地层、地表下软土较浅无法挤扩成盘的土层；

（4）受大气影响深度内的膨胀土层；

（5）湿陷性黄土层等。

3、挤扩灌注桩的分支与承力盘竖向设计要求：端承力盘应设置在结构稳定、压缩性较小、承载力较高、层厚较大的土层，承力盘底进入持力层的深度不宜小于0.5h～h(h为承力盘高度)，承力盘竖向的合理间距是挤扩多支盘桩设计计算的重要内容，对于东营地区的粉土和粘性土，对铁塔基础建议支盘间距不宜小于5d(d为桩径)，支盘距设计地坪也不宜小于4d(d为桩径)，距桩底不宜小于600mm。挤扩灌注桩的其他要求应满足现行《建筑桩基技术规范》、山东省工程建设标准《挤扩灌注桩技术规程》的有关规定。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

借鉴国外经验，国内在5OOkV双回路铁塔和同塔四回铁塔中也已使用钢管型材，体现出了其良好性能和效益。其优点表现在:一是可以减小塔身风压(构件体形系数，圆管比角钢几乎小一倍)；二是在截面面积相等的情况下，圆管的回转半径比角钢大20%左右;三是提高了结构承载能力，一般来讲，钢管塔比角钢塔用量降低10%-20%;同时还可减少杆件数量，缩短建塔周期，易于结构多样化。但钢管的使用也存在钢管型材规格品种有限、外面质量不好、价格高等缺点，同时钢管间连接的节点构造复杂，加工生产效率低。

冷弯薄壁型钢的使用。冷弯薄壁型钢的使用在国外已有几十年的历史。据了解，在输电铁塔中已应用冷弯薄壁型钢的国家有意大利、美国、加拿大、英国、原苏联、墨西哥等。据国外资料统计，采用冷弯薄壁型钢比传统热轧角钢可节省钢材10%-18%。美国《输电铁塔设计导则》中有针对等肢卷边角钢和除角钢外其他型钢的承载力计算的描述，这说明美国土木工程师协会早已注意到冷弯型钢的构件在铁塔上的应用。但在国内，冷弯薄壁型钢在输电铁塔中的使用仍是空白。

随着杆塔结构的大型化发展，组成铁塔的型材规格也越来越大，使得目前常用的低强度热轧型钢已难以满足使用要求，且热轧型钢规格有限，货源不充足。虽然通过采用组合截面和节点特殊处理可部分弥补型材的不足，但使得设计、加工的工作量和投资增大了许多，也使荷载传递方式复杂化，增加了不安全隐患。因此，在我国探求一种适合输电铁塔的新型钢形式已显得十分必要。

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