高强钢

Q460高强钢在输电线路铁塔上的应用研究
Applied Research of Q460 High Strength Steel on the Transmission Line Towers
摘要:介绍了输电线路铁塔新材料Q460高强钢的应用背景, 对不同材质钢材性能进行了分析比较,介绍了Q460高强钢的化
学成分、力学性能，提出了Q460高强钢在输电线路铁塔上的应用原则。

通过对常用塔型的理论计算和经济比较, 得出了Q460高强钢在输电线路铁塔上的应用, 对提高电网技术、减少铁塔耗材、降低工程造价、节约资源和减小输电线路建设、对社会及环境的影响等方面具有积极作用的结论。

关键词: Q460高强钢；输电线路铁塔；工程应用
Abstract：With the high strength steel on the transmission line towers, steel consumption and project cost were decreased. The article describes the application background of the transmission line tower in new materials Q460 high-strength steel of different materials steel Performance Q460 high-strength steel chemical composition, mechanical properties, Q460 high-strength steel transmission line towers on the application of the principles . By theoretical calculations of the type commonly used tower and economic comparison, the Q460 high-strength steel transmission line towers, improve grid technology to reduce the tower supplies, and reduce construction costs, conserve resources and reduce the transmission line construction, the community and environmental impact has a positive role in the conclusion.
Key words：Q460 high-strength steel; transmission line towers; engineering applications
中图分类号：TG142.332;TM753 文献标志码：A 文章编号：1009-5306（2011）
为了提高输电线路的安全可靠性和运行维护水平, 推动电网技术进步, 降低钢材耗量和工程造价，提高输电线路建设效率和效益,国家电网公司对输电线路设计建设提出推广应用“两型三新”的要求。

对于土地资源十分宝贵、输电线路走廊选择十分困难、电网建设实施难度较大的地区而言，Q460高强钢这一新材料在输电线路铁塔上的应用为降低铁塔钢材用量和工程造价、减小输电线路建设对社会的影响、减少资源消耗等创造了条件，对深入贯彻、实施输电线路建设的全寿命周期管理是有积极意义的。

1 高强钢的应用背景
美国、日本等国输电线路设计中高强钢的应用十分普遍。

美国在输电线路铁塔设计中,主要受力构件采用ASTM S572 65 ksi钢(屈服强度为460～520MPa)；日本在铁塔设计中,主要受力构件采用SM520钢(屈服强度为520MPa)。

而我国以往铁塔设计中，主要受力构件采用Q420钢(屈服强度为420MPa)。

从以上数据中可以看出, 与国外先进国家相比，我国铁塔所用钢材的强度等级偏低、材料的可选择余地小,电网建设中的材料技术与发达国家相比有一定的差距。

在相同荷载情况下, 铁塔的钢材消耗相对较高，因此降低了我国在国际工程投标中的竞争力。

目前我国运行的输电线路杆塔结构绝大部分采用的是Q235和Q345热轧角钢，我国已建成的第1条750kV 电压等级线路、1000kV交流特高压试验示范工程线路、±800kV直流线路部分塔材采用的是Q420高强度钢。

通过对比，当铁塔主要材料用Q420钢取代Q345钢时平均塔重可减低8%以上，直接降低了工程投资。

除了少数线路试点应用外，Q460钢在国内送电线路上应用较少。

2007年8月Q460高强钢SZ1直线真型塔试验在国网北京电力建设研究院杆塔试验站圆满完成。

该塔是Q460高强钢在输电线路铁塔上的首次应用，
对于进一步减轻塔重、降低工程造价和提高我国电网建设的技术水平具有重要的意义。

因此, 根据Q460高强钢在国内试点应用的情况并结合电网建设的特点和需要，Q460高强钢在输电线路铁塔上的推广应用已具备相应的条件。

2 Q460高强钢的技术参数取值
2.1 钢材性能参数比较
根据铁塔设计情况，Q420、Q460高强钢的强度设计值见表1, Q460钢对于Q420钢的强度提升比例见表2。

Q460高强钢型钢常用规格为：Q460角钢L100mm ×8mm~L250mm ×32mm ，Q460钢板常用规格为-8~-32，中间规格的产品均与其它钢种的常用规格相同。

表1 高强度钢材的强度设计值
型号
厚度或
直径/mm 强度/ (N·mm -2)
最小伸
长率/%
抗拉 抗压和抗弯 抗剪v 孔壁承压 Q420 16 380 380 220 560 ≥18
>16～35 360 360 210 530 >35～50 340 340 195 510 Q460
16 415 415 240 590 ≥17 >16～35 395 395 230 560 >35～50
380
380
220
540
表2 Q460钢相对于Q420钢的强度提升比例 %
强度
抗拉
抗压和抗弯 抗剪 孔壁承压 提升比例 9～12
9～12
9～13
5～6。

2.2 轴心受压杆件稳定系数
计算铁塔角钢受压稳定时，稳定系数直接采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》或Q/DG 1-T003-2010《架空输电线路铁塔设计技术导则》 ，b 类稳定系数φ计算公式如下。

0.215n λ=
≤时：2
10.65n ϕλ=-
0.215n λ>时： 221[(0.9650.3)2n N n
ϕλλλ=++ 式中：λ为长细比；n λ为换算长细比；y f 为钢材的屈服强度；E 为弹性模量；ϕ为轴心受压杆件稳定系数。

实际设计时，只要将构件长细比按k (k 为长细比修正系数)，查文献[1]中附录C 或文献[2]
中附录B 中Q235钢的j 值即可确定稳定系数。

2.3 压杆稳定强度折减系数
根据Q/DG 1-T003-2010，当构件宽度与厚度之比大于一定值时，需对压杆稳定强度进行折减。

使用高强钢，要对折减系数N m 做如下修正：
当lim N ()m =1.0b b
t t
≤时，
当lim
lim
1.6770.677b
b b t b t t t ⎛⎫<≤=- ⎪⎛⎫⎝⎭ ⎪⎝⎭N ,m 式中：N m 为压杆稳定强度折减系数；b 为角钢翼缘板自由外伸宽度；t 为角钢肢厚、钢管壁厚；y f 为钢材的强度标准值。

用Q420和Q460钢材替代Q345时，因宽厚比需要强度折减的规格比Q345的规格多，因此，在角钢构件承压设计时，尽量避免使用一些较薄壁的构件。

3 Q460高强钢在铁塔上的应用
3.1 国内Q460高强钢的应用现状
通过对国内各主要钢厂的调研，实际上Q460角钢与Q420角钢生产加工工艺相似，主要是冶炼成分不同，只需对现有技术稍加改造，即可生产Q460高强角钢。

虽然技术上Q460生产已不是问题，但目前对Q460角钢的研究、应用还处于起步阶段，需求总量不大，致使多数生产厂家没有足够重视，这也是导致我国输电线铁塔多使用Q235，Q345低级钢材的原因之一。

否则，我国Q460高强钢的产量能够满足我国输电线铁塔的需要。

根据对±800 kV 某单回直流线路铁塔主材采用不同材质的分析（见表3），表明用Q460角钢比用Q420角钢可降低质量3.1%～3.9%，降低造价1.5%～2.5%；用Q460角钢比用Q345角钢可降低质量9.3%～12.5%，降低造价4.5%～6%。

此外，使用Q460高强钢还可以提高构件的承载力，简化杆塔结构，减少防锈涂层的用量，降低了加工、运输和安装等成本。

3.2 Q460高强钢材料的应用原则
3.2.1 受压构件设计方法分析及长细比应用范围
通过高强等边角钢Q460稳定承载力试验结果的分析[1]
，得出以下结论：
表3 铁塔主材采用不同材质时的计算铁塔质量
塔型 呼高/m
铁塔计算质量/kg
用Q460铁塔质量减小比例/%
主材Q345 主材Q420 主材Q460
Q420 Q345 ZC1
51 28 387 26 574 25 738 3.1 9.3 54
30 451
28 193
27 260
3.3
10.5
5732341 29625 28688 3.2 11.3
ZC25131676 28874 27911 3.3 11.9 5433223 30387 29301 3.6 11.8 5734939 31807 30572 3.9 12.5
a.对于高强等边角钢Q460轴心压杆，当长细比λ在60以下时，利用现行GB 50545-2010《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》的计算公式，其承载力计算结果与实际试验结果比较接近；当长细比λ在60以上时，其承载力计算结果比实际试验结果小很多，公式计算结果裕度较大，规范公式计算结果偏于安全。

b.对于高强等边角钢Q460偏心压杆，当长细比λ为80或100时，利用现行GB 50545-2010的计算公式，其承载力计算结果比实际试验结果较小，所以偏安全；当长细比λ=120时，根据GB 50545-2010计算公式,承载力计算结果比实际试验结果大，所以偏不安全。

因此并非所有长细比构件选用Q460高强角钢钢材设计都能达到经济性与安全性的统一，长细比越大，则构件极限承载力主要受稳定性控制，与钢材强度基本无关；对受强度控制的小长细比构件，提高钢材强度能有效提高构件的承载能力。

为了安全、经济、有效地使用高强钢，推荐使用高强钢的长细比范围在0～80之间；长细比在80～120范围内高强钢的优势不明显，不推荐使用；当长细比大于120时，强度对构件的承载力几乎没有影响，建议不采用高强钢。

3.2．2 高强钢的连接
为了充分发挥Q460钢强度高的特性、使连接节点紧凑并具备足够的刚度，当Q460钢之间连接时，节点板的材质亦应采用Q460，连接螺栓宜采用6.8级或8.8级, 目前规范用孔壁承载破坏公式计算能够满足设计要求，单面连接杆件螺栓连接线宜向角钢肢背处靠拢；当Q460钢与低级别钢连接时，节点板的材质可与低级别钢相同，连接螺栓采用4.8级、6.8级或8.8级。

另外,根据Q460高强钢的材质特性,在其上开孔应采用钻孔,且不允许进行冷弯。

根据螺栓的强度级别见表4，可以分析螺栓使用数量及节点板的大小。

表4 不同级别螺栓的抗剪强度表
强度级别 4.8级 6.8级8.8级10.9级
抗剪强度170 240 300 380
比值0.71 1.00 1.25 1.58
从表4可以看出，不同的螺栓级别，其抗剪强度不同。

在以往500kV线路工程中，一般M16mm的螺栓均采用4.8级，M20mm及M24mm的螺栓普遍采用6.8级，而对于8.8级和10.9级螺栓使用很少，根据6.8级和8.8级螺栓强度级别的比值来看，当采用8.8级螺栓时，螺栓数量可减少20％，则节点板可缩小10％左右。

但经了解，由于10.9级螺栓在酸洗除锈时容易造成氢脆断裂，因此关于10.9级螺栓尚需进一步摸索经验。

3.2.3 热变形加工技术
Q460高强钢材的热变形加工与低等级材料的加工要求有本质不同，主要是在热变形加工后的材质性能发生较大改变，如按照常规工艺进行加工，材料发生缺陷的几率将大幅度增加，这时必须采取附加的工艺
措施以消除这些加工缺陷。

可参考Q420高强钢的热加工工艺要求。

热矫正时加热温度应控制在850～1 000℃，热矫正后采用空冷，在温度降至850℃之前进行弯曲加工。

3.2.4 镀锌问题
热镀锌质量主要包括镀锌层厚度均匀性、表面质量和镀层冶金学方面（如合金相组成、形态）的控制等。

在750kV中镀锌方面就存在镀锌厚度不够和颜色不正的问题，这可能与高强钢中的合金元素对钢结构构件热镀锌的影响有关，因此，分析不同合金元素对镀锌的影响以及根据不同成分的钢材采用不同的热镀锌工艺，需要进行更深一步研究。

3.2.5 焊接工艺分析
输电铁塔除在挂线结构、火曲包钢结构、塔脚结构和十字型节点板处需焊接连接外，其他连接均可用高强螺栓连接。

焊缝设计可按照我国GB50017-2003《钢结构设计规范》方法计算。

根据JGJ 81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》、GB/T 8110-2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》和GB/T 5118-1995《低合金钢焊条》等规范的相关规定，焊接方法主要有气体保护焊、埋弧自动焊和手工焊3种工艺，其中气体保护焊是最理想的焊接方法。

焊接材料的化学成分和力学性能应不低于Q460母材的性能指标，目前现有的焊接材料和焊接工艺已比较成熟。

Q460高强角钢的碳含量较高，火曲难度较大，焊接工艺要求较高，此处焊缝为一级焊缝，或者从设计上避免火曲工艺。

依据GB50017-2003，Q460高强度钢焊缝的强度设计值见表5.
表5 Q460高强度钢材料焊缝的强度设计值N/mm2
构件钢材
厚度或直径/mm
对接焊缝的强度角焊缝的强度
抗压抗拉和抗弯抗剪抗拉、抗压和抗剪焊缝质量一、二级焊缝质量三级
16
>16～35 >35～50 415
395
380
415
395
380
350
335
325
240
230
220
240
240
240
4 结语
通过以上对Q460高强钢应用背景、生产状况、材料性能和应用原则的研究,可得出以下结论。

a. 根据国外输电线路铁塔设计的先进经验、Q460高强钢在国内输电线路中的试点情况及其产品的生产情况等因素，Q460高强钢在输电线路铁塔上进行推广应用已具备了条件。

b. 为了安全、经济、有效地使用高强钢，推荐使用高强钢的长细比范围在0-80之间。

c. Q460高强角钢的碳含量较高，塑性变形能力降低，脆性增加，火曲难度较大．因此，尽量从设计上避免火曲工艺，若采用焊接工艺，则焊缝质量要求为一级焊缝；若采用螺栓连接，角钢构件最好选用钻空法成孔。

随着Q460高强钢的进一步推广、钢铁生产厂家技术提高和成本下降, Q460高强钢在输电线路铁塔上的应用对提高电网技术、减少铁塔耗材、降低工程造价、节约资源和减小输电线路建设对社会及环境的影响等方面将具有积极的作用，可为电网建设创造良好的经济效益和社会效益，对实现节能减排和可持续发展
的战略目标具有重要的作用。

参考文献：
[1] 李正良，刘盼，张东英.高强等边角钢Q460稳定承载力试验研究[C].第17届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅰ册）,2008.页码范围p600-604。