钢管-角钢组合输电塔杆件风荷载参数风洞试验研究——从钢管选型与结构连接角度的技术解读

文献概况与工程背景

本文发表于《湖南大学学报（自然科学版）》2021年第48卷第11期，由湖南大学牛华伟教授与中国电力科学研究院合作完成。研究以500kV和110kV输电塔为工程背景，通过风洞试验测定了钢管-角钢组合输电塔杆件的体型系数及背风面风荷载折减系数。作为钢管制造与焊接技术专家，我对该研究中涉及的钢管规格选型、钢管与角钢的连接焊接以及风荷载对钢管构件设计的影响尤为关注。

钢管杆件的规格选型与制造要求

钢管在输电塔中的应用

在钢管-角钢组合输电塔中，钢管通常用于塔身的立柱和横担的主杆件，而角钢则用于斜材和次杆件。钢管的规格选择直接影响塔体的抗风性能和结构安全性。根据DL/T 5154标准，输电塔用钢管的规格一般如下：

钢管的制造质量控制

对于输电塔用钢管，其制造质量直接影响结构的安全性和耐久性。根据GB/T 3091标准，焊接钢管的焊缝应进行100%无损检测，检测方法和合格等级应符合GB/T 3323或GB/T 11345的规定。对于壁厚较大的钢管（壁厚≥10mm），建议采用无缝钢管（GB/T 8163），以避免焊缝成为薄弱环节。

在风荷载作用下，钢管杆件承受复杂的弯矩、轴力和剪力组合。从材料力学角度分析，钢管的圆环截面具有各向同性特征，其抗弯性能优于角钢截面。但在实际工程中，钢管与角钢的连接节点是结构的薄弱环节，其焊接质量直接决定了节点的承载力和疲劳寿命。

钢管与角钢连接节点的焊接工艺

连接节点的焊接方法

在钢管-角钢组合输电塔中，钢管与角钢的连接节点通常采用以下焊接方式：

• 角钢与钢管外壁的连接：采用角焊缝或T型坡口焊缝，焊接方法通常为手工电弧焊（SMAW）或埋弧焊（SAW）
• 钢管与钢管的对接连接：采用双面坡口对接焊，焊接方法通常为埋弧焊（SAW）或药芯弧焊（FCAW）
• 节点板的焊接：采用角焊缝连接节点板与钢管或角钢

对于输电塔这种户外长期服役的结构，焊接接头的疲劳性能至关重要。根据GB/T 4658标准，焊接接头的疲劳等级应不低于母材的疲劳等级。建议对关键焊缝进行以下强化处理：

• 焊趾打磨：采用TIG修磨或砂轮打磨，消除焊趾缺口，提高疲劳等级
• 锤击处理：对焊缝表面进行锤击强化，引入残余压应力，提高疲劳寿命
• 焊后热处理：对于厚板焊接接头，进行去应力退火处理，降低残余应力

风荷载对焊接接头的影响

风洞试验结果表明，来流风速对塔身和横担中的角钢体型系数几乎无影响，但不同风向角下节段模型的整体体型系数变化显著。这意味着在风荷载作用下，输电塔的各杆件承受的荷载方向和大小随风向角变化而变化，焊接接头将承受复杂的交变应力。

从焊接疲劳角度分析，焊接接头的疲劳寿命与应力幅值、应力比和循环次数密切相关。对于输电塔这种承受风荷载的户外结构，建议在设计阶段考虑以下因素：

风荷载参数与结构设计的关联

该研究通过风洞试验得到的体型系数和折减系数，对于输电塔的抗风设计具有重要的参考价值。试验结果表明，中国规范取值与日本规范相比分别偏小7.2%和4.5%，这意味着按照中国规范设计的输电塔可能在高风荷载条件下存在一定的安全隐患。

从钢管选型和焊接工艺的角度，我建议在实际工程设计中：第一，适当提高钢管的壁厚或选用更高强度的钢材，以应对可能的风荷载不足；第二，对关键焊接节点进行疲劳性能评估，必要时采用焊后强化处理；第三，在防腐设计中考虑腐蚀疲劳的协同效应，延长结构的使用寿命。

该研究为钢管-角钢组合输电塔的抗风设计提供了重要的试验数据支撑，其风荷载参数的确定方法对于其他风敏感结构的抗风设计也具有借鉴意义。在实际工程应用中，建议将风洞试验结果与规范计算结果进行对比分析，取两者中的不利值作为设计依据，以确保结构的安全性和经济性。