送電線路鐵塔機(jī)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)

楊新

【摘 要】在用電缺口逐年增大的壓力之下，我國(guó)的電力工業(yè)也在不斷發(fā)展。在電力工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，送電線路成了重中之重，一條配電線路可能只關(guān)乎數(shù)百戶居民用電，但是一條送電線路卻關(guān)乎成千上萬(wàn)甚至一整座城市的供配電。

【關(guān)鍵詞】送電線路；鐵塔機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；電力工業(yè)；電力系統(tǒng)；輸電線路

0.引導(dǎo)語(yǔ)

我國(guó)目前的絕大多數(shù)地區(qū)均以鐵塔托舉的形式送電，送電線路與終端的供配電線路不同的是，越是上游的送電線路，一旦出現(xiàn)問(wèn)題影響的用電人群數(shù)量就越大，造成的社會(huì)影響也就更為惡劣。所以在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)送電鐵塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以保障送電線路的安全對(duì)于電力企業(yè)與設(shè)計(jì)人員同樣重要。我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展較為迅猛，但是與我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相比，仍然無(wú)法匹配，這就造成了用電的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)要超過(guò)供電的能力。在這種情況下提高、保障送電線路就成了設(shè)計(jì)之中的關(guān)鍵性問(wèn)題。送電線路賴以支撐的鐵塔是送電線路之中較為關(guān)鍵的一環(huán)，送電線路的鐵塔不僅起到支撐送電線路的作用而且還起到了連通送配電環(huán)節(jié)的樞紐與節(jié)點(diǎn)作用。對(duì)送電鐵塔的研究，國(guó)內(nèi)的專業(yè)文獻(xiàn)絕大多數(shù)集中在風(fēng)荷載、雪覆荷載、基底穩(wěn)固度等的研究范圍。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，鐵塔的連接的滑移與節(jié)點(diǎn)彈性也是研究的重點(diǎn)，荷載位移曲線的變化等也是影響送電線路鐵塔的重要因素。此外，鐵塔的上撥力測(cè)試與各種水平力組合作用等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也為鐵塔的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了許多新的思路與創(chuàng)意。由于電力系統(tǒng)中鐵塔的較大規(guī)模的使用，所以建立鐵塔的力學(xué)模型以便后續(xù)的鐵塔工程實(shí)踐過(guò)程中不僅可以做為計(jì)算的基礎(chǔ)，以加快鐵塔的施工設(shè)計(jì)十分有益，而且對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化鐵塔的設(shè)計(jì)意義重大。我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)天氣，在這種極端天氣的影響之下，風(fēng)荷載實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的鐵塔模型的建立就十分必要，在風(fēng)荷載條件下控制鐵塔的主要因素就包括了塔身的坡度與朝向、鐵塔的主要材質(zhì)選擇、鐵塔的斜材的布設(shè)、鐵塔的交叉點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)，鐵塔的塔腳的布計(jì)等方面的問(wèn)題。目前我國(guó)的絕大多數(shù)地區(qū)的電力系統(tǒng)的鐵塔的架設(shè)無(wú)論是其基礎(chǔ)還是塔架部分都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模塊式吊裝結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)其基底的混凝土工程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)制化，部分鐵塔也已經(jīng)按照相應(yīng)的部分組裝在一下，只要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝就可以完成鐵塔的裝配施工過(guò)程。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化施工工序，加快施工過(guò)程起到了極大的作用。不僅降少了對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境的污染與影響提高了社會(huì)效益也同時(shí)極大地提高了電力系統(tǒng)的工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)過(guò)程中也可以按照不同的風(fēng)速區(qū)域設(shè)計(jì)不同的鐵塔力學(xué)模型，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)為不同的電力系統(tǒng)風(fēng)速區(qū)域提供不同的鐵塔構(gòu)件。這樣不僅保證了不同地區(qū)的鐵塔的安全性也同時(shí)兼顧了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性原則。由于鐵塔采用的是角鋼、鋼管的結(jié)構(gòu)，其連接完全采用高強(qiáng)度螺栓，一理螺栓出現(xiàn)問(wèn)題，則極有可能造成整座鐵塔的解體。所以對(duì)其螺栓連接節(jié)點(diǎn)的分析就可以對(duì)其整體的性能得到基本的驗(yàn)證。對(duì)螺栓連接機(jī)構(gòu)可以采取荷載之下的滑移實(shí)驗(yàn)與荷載之下的位移實(shí)驗(yàn)，觀察在受力情況下的節(jié)點(diǎn)的破壞情況根據(jù)實(shí)驗(yàn)形成滑移、位移曲線。并且根據(jù)力學(xué)原理，據(jù)此還可以推導(dǎo)出各鋼構(gòu)件的軸向剛度值。在此基礎(chǔ)之上可以采用模糊統(tǒng)計(jì)法、例證法、專家經(jīng)驗(yàn)分析法、二元對(duì)比排序法、系統(tǒng)相關(guān)性分析法、回歸分析法等確定模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)研究鐵塔的結(jié)構(gòu)與其中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。鐵塔的機(jī)構(gòu)優(yōu)化不僅關(guān)系到鐵塔的基底與其地上的部分，還與地下的水文地質(zhì)條件息息相關(guān)，鐵塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)要在了解地下的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)之上進(jìn)行，依據(jù)地下情況對(duì)鐵塔的體系結(jié)構(gòu)，水平坡度、線性應(yīng)力、弧型懸垂、鐵塔鋼構(gòu)件內(nèi)力反應(yīng)、基座反作用力以及塔頂相對(duì)塔基的結(jié)構(gòu)誤差性綜合性位移等因素進(jìn)行綜合研究與考量。然后就可以逐步建立鐵塔標(biāo)準(zhǔn)化體系的三維建模，在建立的三維模型上對(duì)應(yīng)有限元模型加以系統(tǒng)性研究，就可以找到地下地質(zhì)狀況、負(fù)荷載、雪覆荷載、上撥力等對(duì)鐵塔體系共同作用下的機(jī)理。根據(jù)上述的研究結(jié)果配合工作線路的走向與環(huán)境因素就可以對(duì)鐵塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與布置實(shí)施。

1.在鐵塔計(jì)算的處理方面的優(yōu)化

角鋼式鐵塔的論證過(guò)程較為繁瑣，在從論證進(jìn)入到實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程更是如此，一座看似簡(jiǎn)單的鐵塔，往往需要設(shè)計(jì)人員花費(fèi)數(shù)月的時(shí)間，主要是其中的復(fù)雜的關(guān)系的運(yùn)算與各模型的匹配相關(guān)分析工作極為艱巨。雖然許多軟件公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)出了一些軟件，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，這些軟件的自由度與靈活度不夠不能完全支撐起整個(gè)鐵塔的復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，因此在實(shí)際工作中還是需要手工進(jìn)行分析與計(jì)算。一個(gè)好的設(shè)計(jì)人員不僅要關(guān)注鐵塔的力學(xué)模型，還要在塔頭的設(shè)計(jì)中注意其防污、防風(fēng)、防雷的必要的三防措施，還要考慮電壓負(fù)荷與絕緣配置問(wèn)題等。

檔距的分配直線塔掛雙絕緣子串時(shí)，前后垂直荷載按4：6分配；耐張塔前后掛點(diǎn)垂直、水平荷載按照3：7分配。我們搭建轉(zhuǎn)角塔是為了避免安裝工況控制塔材及基礎(chǔ)作用力的作用，檔距的一側(cè)代表檔距取300m，另一側(cè)代表檔距取500m。

風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βz的取值對(duì)于2-3型直線塔，當(dāng)全高超過(guò)60m時(shí)，風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)應(yīng)分段計(jì)算，但加權(quán)平均值應(yīng)不低于1.6。

塔身正側(cè)面風(fēng)壓增大系數(shù)的影響通過(guò)計(jì)算是眾多周知的，由于大風(fēng)區(qū)轉(zhuǎn)角塔的選材主要由導(dǎo)、地線的張力及斷線張力控制，因此塔身正側(cè)面風(fēng)壓影響較小。而選材相對(duì)于導(dǎo)、地線的型號(hào)的影響甚小。若塔身正側(cè)面風(fēng)壓取得過(guò)大，塔材顯得不經(jīng)濟(jì)，取得過(guò)小又不安全。在用道亨軟件計(jì)算的過(guò)程中，正面風(fēng)壓增大系數(shù)（Fa），側(cè)面風(fēng)壓增大系數(shù)（Fb）均未考慮補(bǔ)助。材、節(jié)點(diǎn)板、螺栓的面積，如何計(jì)算與估算補(bǔ)助材、節(jié)點(diǎn)板等在不同塔身節(jié)問(wèn)的擋風(fēng)面積將對(duì)沿海大風(fēng)區(qū)直線塔的計(jì)算有重要的意義。

2.塔身坡度的優(yōu)化

塔身坡度對(duì)鐵塔重量有至關(guān)重要的影響，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懼鞑囊?guī)格、斜材的布置形式、基礎(chǔ)作用力等的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。合理的塔身坡度會(huì)使主材受力更加充分且均勻。如：本工程新設(shè)計(jì)的鐵塔（SJ332A-36）為保證鐵塔具有足夠的剛度，在塔建的過(guò)程中，還應(yīng)確定適當(dāng)?shù)淖兤麻_(kāi)口尺寸。

3.塔身斜材布置的優(yōu)化

我們?cè)诓贾眯辈臅r(shí)，都是參照對(duì)主材最優(yōu)計(jì)算而得到的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行，致使其充分受力。本工程的直線塔，分為塔身上部，中部及下部，塔身上部斜材采用的小交叉式節(jié)問(wèn)控制在1.2-1.3m，塔身中、下部的大交叉式節(jié)問(wèn)控制在1.4-1.5m是適宜的。轉(zhuǎn)角塔因荷載較大且為防止斜材同時(shí)受壓的情況發(fā)生，塔身第一節(jié)問(wèn)斜材采用倒K結(jié)構(gòu)，然后由上至下依次采用3等分、4等分大交叉式節(jié)問(wèn)進(jìn)行布材，而節(jié)問(wèn)高度隨主材的變化控制在1.3-1.6m。

一組高低腿中最高腿的高度與鐵塔全根開(kāi)的比值控制在0.8-0.9是比較合適。依據(jù)上述原則，結(jié)合本工程初設(shè)階段的報(bào)告，該地區(qū)主要以丘陵為地貌，地面高程50.0～250m，相對(duì)高差20～220m，山坡坡度，自然坡度20°～35°，山體自然穩(wěn)定。因本工程主材采用Q420材質(zhì)，鐵塔根開(kāi)得到了很大的改善，所以每一組高低腿最小級(jí)差設(shè)為1m，且最高腿與最低腿的坡度控制在28°-35°間，可以有效地減小塔基開(kāi)挖面。

4.結(jié)束語(yǔ)

送電線路鐵塔的連接滑移和節(jié)點(diǎn)彈性，均被認(rèn)為是影響送電線路鐵塔受力特性的主要因素。隨著地下資源和空間的開(kāi)發(fā)利用呼聲的高漲，開(kāi)展采動(dòng)區(qū)鐵塔力學(xué)計(jì)算模型與塔一線體系兩者共同作用機(jī)理方面的研究，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的安全性和地下以及空間資源的可用性都有著極其重要的意義。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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