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严寒地区铁塔结构钢材的选用
姚一丁
（内蒙古电力设计院呼和浩特010020）
【摘要】新版《钢结构设计规范》（GB50017-2003）颁布实行以来，内蒙古电力设计院根据内蒙古全域所处严寒地区的结构工作温度和杆塔结构的特性，在认貞•研读《钢结构设计规范》条文，并与行业标准《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）仔细比较的前提F.结介在严寒地区送电线路工程设计中积累的工作经验和研究试验成果，提出了在严寒地区，按照以不同连接方式來区分钢材选用的思路，确定铁塔钢材选用的原则。
【关键词】严寒地区铁塔钢材选用
1严寒地区钢材选用问题的提出背景
在提出问题之前，首先有必耍搞清楚各种温度区的准确定义。
宏观上人们依据纬度的高低（更准确地说是地球在公转当中与太阳的关系）把地球H北向南划分为北寒带、北温带、热带、南温带、南寒带，我国绝大部分地区属丁•从北极圈
（北纬66°309〜北回归线（北纬23。
30'）的北温带,属于温带气候;常规和习惯上依冬季的温度高低，人们乂把温度区划为寒冷、严寒等地区，而各种温度区的划分和准确定义，均來门丁•国家标准《采暧通风与空气调节设计规范》（GBJ19—81）的2001年版。
为了对本文叙述的需要，并使读者了解各种温度划分的定义和标准，现将该国家规范的有关室外气彖温度参数的标准泄义内容介绍如下：
严寒地区：
累年最冷刀平均温度TW-10°C的地区定义为严寒地区，我国东北、华北的北纬40。
30,以上的地区（即大致鞍山一张家口一大同一呼和浩特连线以北）以及陕西省榆林、甘肃省山丹和青海省格尔木均属严寒地区。
寒冷地区：
累年（不少于3年）最冷月平均温度一10°CVTW0°C的地区定义为寒冷地区。
全国北纬超过34°C以上除严寒地区以外的所有地区（即犬致陇海线以北）和西藏全境及四川的甘孜地区，均属寒冷地区；
对承朿钢结构钢材的选用，按照新版《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的规定，耍求同时有7种考虑的因素，英中以应力状态、连接方法和工作温度三项最重耍，所有因素都基丁•一个出发点，那就是要防止脆性破坏的发生，这对于钢结构來说是至关雨耍的。
对处丁•不同地区的送电线路杆塔来说，其它六项如结构重耍性、荷载特征、结构形式等其它儿项均用同，唯一的区别，就是其丁•程所经地区的环境温度,在《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中,是以结构工作温度为表征的。
结构I：
作温度：
按新版《钢结构设计规范》（GE50017-2003）的现赵，是以该规范的最低口平均温度定义的，它比划分寒冷、严寒的温度标准还低，如严寒地区结构「•作温度最筒的张家口为一22.9°C,最低的海拉尔为一42.5C,也就是说：
一个地区的结构工作温度和该地区的所屈温度区类型划分的标准依据，在数值上是不同的。
对丁我们所处的内蒙古和周边的东北和华北地区来讲，都属于严寒地区，内此可以按严寒地区來研究钢材的选用问题。
我们本文亜点研究的I.程对象是呼伦贝尔一辽1f±500kV送电线路工程的第一标段一呼伦贝尔段。
现将与该木匚程有关的地区室外气彖温度参数列表如下：
地名
北纬
年平均温度
冬季室外计算温度
极端温度
最人冻探
”气调节
最低日平均
累年最冷月均
最低
m'j
（m）
海拉尔
49°13f
-2.1
-37
-42.5
-27
一4&5
36.7
2.42
乌兰浩特
46°08r
1.7
-30
-36.5
-22
-42.4
3&2
2.49
通辽
43。
36,
60
-22
-26.7
-14
一30.9
39.1
1.79
阜新
42°02r
7.5
-20
-23.2
-12
一2&4
406
1.4
鞍山
41°05,
8.8
-21
-25.2
-10
-30.4
36.9
1.18
说明
寒冷地区：
累年（不少3年）最冷刀平均温度一10°CVTW0°C的地区严寒地区：
累年（不少「3年）最冷月平均温度TW-IO'C的地区冬季最低口平均温度是新版“钢规”划分钢结构“工作温度”的标准冬季空气调节温度是88年IU“钢规”划分钢结构“冬季计算温度”的标准
从上表可以看出，该工程第一标段一呼伦贝尔段，基本位丁•内蒙古门治区东
部区的最北端，属严寒地区，结构工作温度处丁一42.5°C的特别低的范围。
而木
1.程所有铁塔都承受着超夫截面导线的荷载，在苴接承受具有动力荷载特性的导线风荷载的横担挂点以及塔脚支座等雨要部位，存在较多的焊接构件。
根据这些情况，出丁-为防止在长期低温的「.作条件下，铁塔的焊接构件及其他构件出现脆性破坏，而适度介理地提禹钢材材质选用标准的考虑，根据新版《钢结构役计规范》（GE50017—2003）,关丁•承重钢结构钢材选用的规定，结介内蒙古电力设计院近年來在铁塔钢材选用方面所积累的匸作经验和研究试验成果，按照以不同连接方式区分钢材选用的思路，确定出该工程呼伦贝尔段，铁塔钢材选用的原则:
所有铁塔使用Q235碳素结构钢和Q345低合金高强度结构钢两种，其品种为：
1）对Q235碳素结构钢，一律不使用Q235-A级钢（包括Q235-AF沸騰钢），其屮焊接构件也不使用Q235-BF沸腾钢；
2）对Q345低介金高强度结构钢，除焊接构件不使用Q345A级钢之外，对螺栓连接的构件，不做任何限制，可使用Q345A级钢。
上述铁塔钢材选用原则的确立，瑕主耍的依据就是新版《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的规定，以及近年來我院在内蒙古广大的严寒地区，在铁塔钢材选用方面所积累的匚作经验和研究试验成果。
卜面予以详细论述。
2钢材使用原则确定的依据
2.1常用钢材的性能指标
常用的Q235和Q345钢材的化学成分及力学性能见表2.1〜2.4
Q235钢材的化学成分
表21
牌号
质量等级
化学成分（％）
脱一氧方法
C
Mn
Si
S
P
不大于
Q235
A
014〜0.22
0.30〜065
0.3
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.12〜0.20
0.30〜0.70
0.045
C
W0.18
0.35〜0.80
0.040
0.040
Z
D
W0.17
0.035
0.035
TZ
235钢材的力学性能
表22
级
拉
伸实験
冲击实脸
脱H
方法
屈眼点N/mm:
抗拉强度
伸长率q・％
V壁冲击功（纵向）J
钢材厅度（直径〉.mm
钢M加度（直径〉.mm
W16
>16〜40
>40〜60
>60-100
Nmm"
W16
>16-40
>40-60
>60-100
r
不小r
不小丁・
不小］•・
A
20
—
F.b.Z
Q235
B
235
225
215
205
375-460
26
7$
->4
23
27
C
0
17
Z
D
20
乙f
TZ
Q345钢材的化学成分
衷2.3
牌弓
质显:
等级
化学成分（％）
CW
Mn
S1W
PW
SW
V
Nb
T1
A1
Q345
A
020
100〜160
0.55
0045
0045
002〜015
0015〜0.060
0.02-0.20
—
B
0.20
0.55
0.040
0040
—
C
020
055
0035
0035
0015
D
0.18
0.55
0030
0030
E
0.18
0.55
0.025
0.025
Q345钢材的力学性能
衣24
质fit
肌服点MPa
抗拉强度
伸长率
冲击功•AkV.（纵向）.J
180。
心曲实验
<1=弯心直轻
・=式样厅度
牌号
片度（直mm
6
g%
+20£
0-C
一209
-4or
W16
>16〜35
>35〜50
>50-100
N/mm:
不小J：
不小J-
钢材悖度（直轻人mm
等级
不小丁・
W16
>16-100
Q345
A
345
325
295
275
470〜630
21
—
D=2a
d=3a
以上参数摘自于现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T700—88）和《低合金离强度结构钢》（GB/T1591—94）。
从表中可以看出，同一牌号的钢，其等级的不同，主耍体现在主要化学成分如碳、硫、磷的含虽多少，以及冲击韧性试验合格保证的温度这两方面。
等级越高，碳、硫、磷的禽最越少，冲击韧性试验介格保证的温度也越低，表明钢材的韧性越好。
2.2对《钢结构设计规范》的研读及与送电行业设计技术规疋的比较
2.2.1《钢结构设计规范》关于钢材选用的规定
新版《钢结构设计规范》（GB50017-2003）颁布以后，我们对其中有关钢材选用的规定，进行了仔细的研读。
为完整、准确地理解其桔神和耍求，将《钢结构设计规范》的条文，（以楷体字）摘录于下：
“3.3.1为保证承巫结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的朿耍性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和匸作环境等因索综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。
承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢、和Q420钢，其质最应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金结构钢》GB/T1591的规定。
当采用其他牌号的钢材时，尚应符合相应有关标准的规定和要求。
3.3.2下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸騰钢：
1、焊接结构
1）IT•接承受动力荷载或振动荷载且需耍验算疲劳的结构。
2）I：
作温度低T—20°C时的氏接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的亜要承車结构。
3）工作温度等丁•或低T—30°C的所有承重结构。
2、非焊接结构。
I•.作温度等于或低于一20£的也接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。
3.3.3承雨结构采用的钢材应具有抗拉强麼、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚M具有碳含量的合格保证。
焊接承重结构以及重耍的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
3.3.4对丁•需耍验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击切性的介格保证。
当结构工作温度不髙丁・0°C但高T-20°C时，Q235钢和Q345钢应具冇0°C冲击韧性的合格保证：
对Q390钢和Q420钢应具有一20°C冲击韧性的合格保证。
当结构工作温度不高丁・一20°C时，对Q235钢和Q345钢应具有一20°C冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有一40°C冲击韧性的合格保证。
对丁•需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。
当结构工作温度不高T—20°C时，Q235钢和Q345钢应具冇0°C冲击韧性的介格保证；对Q390钢和Q420钢应具有一20°C冲击韧件的合格保证”。
以上条文中，以黑体字标示的3.3.3条是必须执行的强制性条文。
2.2.2如何解读《钢结构设计规范》对钢材选用的规定
《钢结构设计规范》关于钢材选用的所有规定，都皋丁•一个出发点，那就是耍防止脆性破坏的发生，这对丁•钢结构來说是至关重要的。
能够导致脆性破坏或与之有关的的因素，规范都注意到「总共有：
结构的朿要件、荷载特征、结构形式和连接方法、应力状态、工作温度、钢材厚度和工作环境等7项，其中应力状态、连接方法和匸作温度是钢材选用主耍考虑的因素。
因此『解了各因素对防止脆性破坏发生所起的作用，也就可以掌握钢材选用的原则。
a）结构的重耍性
脆性破坏是一种先兆不明显、带有突然性质的破坏，建筑结构按H身破坏可能产生后果的严重性，分为重要的、一般的、次要的三种，其对应的安全等级为一、二、三级，安全等级拓的建筑应选用较好的钢材，一般的建筑，可选用普通钢材。
对送电线路杆塔來讲，除特別帀耍的杆塔可算一级的重要建筑外，绝大部分送电线路杆塔均应属丁•安全等级为二级的一般建筑。
b）荷载特征
在《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）中，对结构上的作用（荷载）除了按随时间的变异分为常提的永久、可变、偶然荷栽外，还可按结构的反应特点分为：
静力和动力荷载两类，“规范”区别不同类型的荷载有三种层次的选材耍求：
何接承受动力荷载的结构应选用综合性能（主耍指塑性和韧性）较好的钢材；血接承受动力荷载特别是荷载重复作用频繁盂耍验算疲劳的结构，容易引起疲劳脆性破坏，要求使用综合性能更高的钢材，不使用Q235沸腾钢；承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构就可采用一般质量的钢材。
过去在界内对钢材的选用问题上，也曾经出现过不同的意见，最集中的疑义是关丁•对送电线路杆塔结构所受荷载性质的界定，即对风荷载是否属J：
动力荷载，存在着不同的理解。
现在应该可以淸楚地说，按随时间的变异划分，风荷载是随时间变化的町变荷载：
再从引起的结构响应來衡最，风荷载是动态荷载（作用），它对结构产生的加速度作用是不可忽略的，这样的叙述在《岛耸结构设计规范》及其它结构类专著中都有。
对风荷载的动态荷载（作用）都耍考虑其动力效应，如对风用考虑风振系数，钢管结构要避开临界风速，都是由J：
风荷载的不可忽略的加速度作用而采取的设计方法。
是否耍对钢结构进行疲劳验算，以及在钢材选用时提出更高的耍求，主耍是看由风荷载对结构产生的作用，以及所产生的破坏形态。
在过去的《钢结构设计观范》屮是以“巾车梁及类似结构”为衡量标准的，因此在界内造成了一些歧义，而新“规范”用“直接承受动力荷载或振动荷载”且“需要验算疲劳”（判断标准是应力变化的循环次数M5X104）的结构來代替原“规范”中的“吊车梁及类似结构”,更科学、更合理,涵盖面更广,它把在过公提法中掺在一起的两层意思，明确为网个定义和范1羽均淸慚的标准，解决了过去因判断杆塔结构究竟是不是“笊乍梁及类似结构”而纠缠不清的问题。
c）应力特征
这是指受力构件截而上的应力性质，由丁•脆断主耍发生在受拉区，而且危险杵较大，所以对受拉、受弯结构和构件应选用质最较好的钢材。
d）结构形式和连接方法
钢结构的形式主要是以连接方式來划分，只有焊接和非焊接（螺栓或钏钉）,对焊接结构，在焊接时的不均匀加热和冷却常使构件内产生很大的焊接残余应力，焊接构造及难以避免的缺陷乂常使结构存在潜在的裂纹损伤，而焊接结构的密体刚性及连续性好的周有特点，乂恰好易使这吐缺陷和裂纹相互扩展贯通：
而碳、硫、磷等有害元素的含量都对结构的焊接性能有影响，硫磷的偏析均较严巫,硫能在焊接高温下（800-1000°C）出现热脆裂纹，磷偏析形成的富磷区促使钢材冷脆，内此所有承車结构对硫磷的含量均应有合格保证。
而碳的含量，是决定焊接性能的最上耍因素，因此焊接结构用钢材的质最耍求耍拓丁同样条件的非焊接结构，而冃.一定要保证碳含最，象Q235-A级钢，在《碳素结构钢MGB700-1988）及其第1号修改通知单（fl1992年10月7口起实行）中，明确规定A级钢的碳含量不作为交货条件，不保证焊接质帚，因此在主耍焊接结构中不能使用Q235-A级钢。
铁塔虽然以螺栓连接为主，但在塔脚支座和血接承受具有动力特性的导地线风荷载施加点的横担处，都有一些焊接构件，这些部位都是比较雨要的部位。
而且近年來焊接构件的数量呈增多的趙势：
在较大的节点板处为解决螺栓多颗布置和缩短斜材退距，经常使用在主材肢平而上平焊一块钢板來加大主材肢宽的方法；为了保证导地线转动灵活，挂线金具越來越多地使用耳轴挂板，这样就大大增多了横担处的焊接构件，据统计一基±500kV线路转角塔的导线横担挂线处的焊接钢材约有320kg：
塔脚的焊接钢材也有1000kg以上。
这些钢材都耍选用焊接性能较好的钢材,起码不能使用Q235-A级钢，对本匸程标段也不能使用Q235沸腾钢。
e）结构的T•作温度
钢材的塑性和韧性都随温度的降低而下降，在低温尤其是脆性温度转换区时韧性急剧降低，容易发生脆性断裂，因此对处丁•较低负温下工作的结构、特别是焊接结构，应选用质量较好和脆性转变温度低丁•结构匸作温度的钢材。
由丁•Q235-A和Q235-B沸腾钢，在浇注前，以较便宜的猛铁作为脱氧剂,來脱去能使钢的热加工性能变差的氧化物，但脱氣不充分，仍有较高的禽氧帚，浇注时冷却速度快，气泡较多，内部组织不致密，氮是以固溶氮的形式存在，硫磷的偏析大，冲击恻性低，冷脆性和时效性也大，任低温及在动力荷载作用下易发生脆断，故对低温坏境和克接承受动力荷载的结构限制使用Q235沸腾钢。
目前由于连铸连轧生产的钢材己占市场主导地位（超过80%）,大多数钢材均为镇静钢，沸腾钢反而不易采购，故其价格已与沸腾钢持平。
而低合金结构钢含有比碳素结构钢较多的硅，硅是一种强脱氧剂，能使钢脱氧充分，钢液平静，故低合金结构钢不存在沸腾钢。
f）钢材厚度
厚钢材辘轧次数少，斥缩比小，组织欠密，所以与薄钢材相比，不仅强度较低，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差，特别是在垂冇•于板厚Z方向的拉力作用下会发生层状撕裂，因此厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材，现在专门有Z向钢板,标准为《厚度发向性能钢板》（GB/T5313）。
铁塔的塔脚座板，就属于此类。
g）环境条件
露天环境下结构的钢材易产生时效，任有害介质作用下钢材易锈蚀，如有一定大小的拉应力存在，那将产生应力腐蚀现象，经过一定时间会产生延迟脆断，因此环境条件恶劣的结构要选用质量教好的钢材。
在综介考虑了各种影响因素后，《钢结构设计规范》对各种条件的承重钢结构用钢材应具有的力学性能和化学成分的合格保证分别作出了规定，分基本保证和特殊保证两类，基本保证乂简称为“三项保证、四项保证和五项保证”，在“规范”中是以黑体字的强制性条文体现在3.3.3条中；特殊保证简称为“六项保证”是以一般性条文体现在3.3.4条中。
223《钢结构设计规范》与送电行业设计技术规定的比较
新版行业标准《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154—2002）（以下简称为“杆塔规定”），自2002年9月1日起实施,我院在执行过程中对其中第6.1.1条关丁•严寒地区钢材选用的条文耍求，感到有一些困难，认为该条文内容有一些问题，遂先后在内蒙古达永线和达乌500kV送电线路初步设计审査会上，向主持市查的电力规划设计总院的有关领导，以及本规定负责旷1口管理的电力规划设计标准化技术委员会反映，引起了重视，2003年4J120II电力规划设计总院在宁波组织“杆塔观定”的主要起草人员和有关专家，召开会议，对严寒地区送电线路杆塔钢材选用问题进行专题研讨，我院作为提出单位对发现的问题阐述了我们的如下观点：
首先将第6.1.1条的原文摘录如下：
“6.1.1杆塔用钢材一般采用Q235、Q345,有条件时也可采用Q390,或钢材强度等级更高的结构钢，质最标准应符合GB/T700《碳素结构钢》、GB/T1591《低合金结构钢》的耍求。
对冬季计算温度等于或低T—20°C,对Q235钢尚应具有一20°C冲击韧性的合格保证：
对Q345、Q390钢尚应具有一40°C冲击韧性的合格保证。
”
这一条文存在的问题主耍反映任笫二段文字中，它未加区别地将《钢结构设计规范》（GEJ17—88）中针对重级1••作制和出乍起重最等「或大于50t的中级工作制焊接用车梁、比车桁架或类似结构的钢材选用要求，沿用到杆塔结构屮，按此耍求，当结构计算温度低r-20°C时，对Q235钢需选用Q235D级钢，对Q345钢需选用Q345E级钢，这些钢种首先是订货因难，其次价格也有较大幅度提高。
在该条的条文说明中，解释到“关丁•冬季计算淋度，不是指最低温度，冶金部门推荐通常是连续5天室外温度的平均值，简单的计算方法可按室外最低温度加10°C即为冬季计算温度”。
这一解释将《钢结构设计规范》（GBJ17-88）屮针对采暖房屋内的冬季计算温度简易计算方法一按《采暖通风和空气调节设计规范》中规定的冬季空气调节室外计算温度+10°C,作为处在室外的送电线路杆塔的冬季计算温度算法。
（按新版国家标准《钢结构设计规范》（GE50017—2003）的规定，现在的衡最标准是“结构丁作温度”取《采暖通风和空气调节设计规范》（GBJ19-87[2001年版]）小规定的般低II均温度）。
综上所述，我们认为“杆塔规定”第6.1.1条所存在的问题，归根到底是因为在起草观定时，没有非常完整、准确地理解和参考当时尚在使用的《钢结构设计规范》（GBJ17-88）中，关丁•钢结构选用钢材的所有条文规泄及其条文说明,从而对严寒地区送电线路杆塔用钢材提出了过严的更求。
“宁波研讨会”与会人员学习了疋在送审阶段的新版《钢结构设计规范》对钢材选用的规定和条文说明，在分析和界定了送电线路杆塔所受的荷载性质后，对严寒地区送电线路杆塔钢材如何选用达成了共识。
宁波会议之后规划院以电规总送[2003]33号文，下达了《严寒地区送电线路杆塔钢材选用的补充意见》，解决了问题。
新版《钢结构设计规范》颁布后，我们认真地进行了学习，形成了本节所述，对影响钢材选用“7项因素”的解读和认识。
2.3内蒙院在严寒地区钢材选用的经验
内蒙古门治区所辖各地的冬季计算温度（88“钢规”）和工作温度（新版“钢规”）均低于一20C,按《民用建筑热工设计规程》（JGJ24-86）的规定，属于严寒地区：
我们乂认为铁塔上的焊接构件多集中在厚度较大的塔脚板、导地线挂线处以及较大节点板等处，都可按重耍的受弯和受拉的焊接构件对待，基丁•这些条件，结合《碳索结构钢》（GE700-1988）及其第1号修改通知单（"1992年10H7口起实行）明确规定A级钢的碳含量不作为交货条件，不保证焊接质帚:
，根据现行《钢结构设计规范》第3.3.2和3.3.3条的规定，我们在宁波会议之后，确定出我院的送电线路杆塔钢材选用原则如下：
1）Q235碳素结构钢镀锌塔材：
a）不需焊接的角钢和钢板：
可采用Q235各级钢材。
b）需焊接的角钢和钢板：
须采用除Q235—A和Q235-BF以外的钢材。
2）Q345低介金战强度结构钢镀锌塔材：
a）不需焊接的角钢和钢板：
可采用Q345各级钢材。
b）需焊接的角钢和钢板：
须采用除Q345A以外的钢材。
O由丁•低合金结构钢以硅元素作为强脱氧剂，能使钢脱氧充分，钢液半静,不存在沸腾现彖，组织致密，因此杆塔结构的主耍材料，优先采用Q345低合金高强度结构钢。
2.4对钢铁冶炼和铁塔加匸企业的调査
近年來我们就钢材使用的问题，多次向钢铁冶炼和铁塔加工企业做调查咨询。
据唐钢等钢铁冶炼金业介绍：
现在Q235沸腾钢的生产金业在逐渐减少，因为它是模铸工艺产品，现在拥有和继续使用这种工艺设备的企业是少数，而且一
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