750kV輸電線路工程V型拉線塔設(shè)計(jì)優(yōu)化

馮云巍

（中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市 430071）

0 引 言

V型拉線塔具有質(zhì)量小，造型美觀的優(yōu)點(diǎn)，在我國西北部荒漠、戈壁地區(qū)具有良好的實(shí)用性。一般而言，V型拉線塔由塔頭、拉線和2個(gè)格構(gòu)式主柱組成。塔頭主要承受導(dǎo)地線荷載和風(fēng)荷載；拉線主要承受結(jié)構(gòu)上的傳來的風(fēng)荷載，只承受拉力；主柱主要承受塔頭傳來的豎向荷載以及風(fēng)荷載和拉線拉力產(chǎn)生的豎向分量，只承受壓力。塔頭和主柱一般是由角鋼或鋼管構(gòu)成的空間桁架結(jié)構(gòu)，具有較好的整體穩(wěn)定性，能夠承受較大的軸向壓力。拉線一般由高強(qiáng)度鋼絞線做成，能夠承受很大的拉力。V型拉線塔充分利用了材料的強(qiáng)度特性，進(jìn)而減少了材料耗用量，節(jié)省造價(jià)［1］。與自立塔相比，V型拉線塔計(jì)算需要考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，而目前國內(nèi)桿塔設(shè)計(jì)軟件只能計(jì)算線性結(jié)構(gòu)。本文依托西北地區(qū)某750kV輸電線路工程，利用非線性鐵塔計(jì)算軟件TOWER對V型拉線塔進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和分析，比較各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，以得到最經(jīng)濟(jì)、合理的V型拉線塔結(jié)構(gòu)形式［2－3］。在TOWER軟件中沒有相關(guān)的中國設(shè)計(jì)規(guī)范可供選擇，本文按照中國規(guī)范編制了構(gòu)件驗(yàn)算程序，可將TOWER軟件的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入程序驗(yàn)算構(gòu)件規(guī)格，以使非線性計(jì)算的結(jié)果滿足我國規(guī)范的相關(guān)設(shè)計(jì)要求［4］。

1 V型拉線塔的設(shè)計(jì)條件及計(jì)算模型

1.1 設(shè)計(jì)條件

本文所研究V型拉線塔的設(shè)計(jì)條件［5－6］：設(shè)計(jì)風(fēng)速為31m／s；設(shè)計(jì)覆冰厚為5mm；海拔為1500m；設(shè)計(jì)呼高為42.0m；設(shè)計(jì)水平檔距為450m；設(shè)計(jì)垂直檔距為600m；導(dǎo)線型號為6×LGJ－400／35；地線型號為JLB20A－150；計(jì)算呼高為42m。

1.2 計(jì)算分析模型

在建立V型拉線塔計(jì)算模型前，首先需要確定受力桿件的單元類型。拉線采用只能承受拉力的索單元，斜材以及隔面橫材采用桿單元，而主材則采用梁單元［7］。分析過程考慮幾何非線性，但結(jié)構(gòu)材料仍然按線性考慮。按照此原則，本文在確定了鐵塔幾何尺寸的基礎(chǔ)上，利用此計(jì)算平臺建立了V型拉線塔的計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 V型拉線塔的有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite element calculation model of V－type guyed tower

拉線塔需進(jìn)行非線性有限元計(jì)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時(shí)往往需要了解破壞部位，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。TOWER軟件可以清晰直觀地顯示非線性破壞變形圖，也可顯示出各工況下桿塔的變形，如圖2所示。

圖2 非線性有限元計(jì)算變形圖Fig.2 Deformation figures of nonlinear finite element calculation

計(jì)算結(jié)果表明，拉線塔的橫擔(dān)主材規(guī)格多數(shù)為斷線工況控制，少數(shù)為安裝工況控制；塔柱上部主材為斷地線工況控制，下部主材為60°大風(fēng)工況控制；拉線規(guī)格為60°大風(fēng)工況控制?；A(chǔ)為90°大風(fēng)工況控制，只受壓力和水平力；拉線盤基礎(chǔ)為60°大風(fēng)工況控制，只受拉線產(chǎn)生的上拔和水平分力。

以上控制工況均符合拉線塔的受力特點(diǎn)，充分說明了V型拉線塔的結(jié)構(gòu)體系受力的合理性，能夠保證在工程中使用的可靠性。

2 V型拉線塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

V型拉線塔設(shè)計(jì)是否合理與眾多因素相關(guān)，其中比較關(guān)鍵的是導(dǎo)線的掛線方式、塔頭形狀、拉線的設(shè)置方案以及主柱截面的選取。

2.1 V型拉線塔的導(dǎo)線掛線方式選擇

直線塔導(dǎo)線的掛線方式常用的有“I串型式”和“V串型式”。I串掛線方式受風(fēng)偏和搖擺角的影響，使得其電氣間隙較V串掛線方式大，這增加了橫擔(dān)的彎矩，進(jìn)而增大了主材規(guī)格和塔質(zhì)量。V串的使用方式分為2種：三相都用V串和中相使用V串、邊相使用I串。中相使用V串可以減小塔窗，有利于降低塔質(zhì)量；邊相使用V串卻增加了橫擔(dān)的長度，會導(dǎo)致塔質(zhì)量增加。因此V型拉線塔中導(dǎo)線采用V串、邊導(dǎo)線采用I串，一方面可減小塔質(zhì)量，另一方面可減小線路走廊寬度，保護(hù)自然環(huán)境［1］。

2.2 V型拉線塔的塔頭型式方案優(yōu)化

參照以往自立塔的塔頭型式，可將拉線塔塔頭設(shè)計(jì)成直橫擔(dān)式和橫擔(dān)上挑式。2種型式塔頭的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 2種塔頭型式比較Tab.1 Comparison of two types of tower head

通過桿塔試算比較，直橫擔(dān)式拉線塔全高比橫擔(dān)上挑式拉線塔高約1.62.0m，前者塔質(zhì)量為后者的1.03倍。雖然橫擔(dān)上挑式拉線塔節(jié)點(diǎn)處理相對復(fù)雜，但是具有良好的經(jīng)濟(jì)性，因此本文推薦在工程設(shè)計(jì)中使用該塔頭形式。

2.3 V型拉線塔的拉線設(shè)置方案優(yōu)化

影響V型拉線塔受力狀態(tài)的另一個(gè)關(guān)鍵因素是拉線的設(shè)置方式。與自立式鐵塔不同，拉線塔的橫向剛度、縱向剛度以及結(jié)構(gòu)的抗扭剛度都要靠拉線來提供。因此不論是拉線數(shù)量的選取，還是拉線與塔身的連接方式的優(yōu)化，其目的都是為了更高效地提供這幾個(gè)方向的剛度。V型拉線塔的拉索一般與線路方向成45°前后各布置2根，這樣既可以平衡縱向張力，也可以承受結(jié)構(gòu)上的水平風(fēng)荷載，亦可抵抗斷線產(chǎn)生的扭矩。因?qū)Ь€掛點(diǎn)位于橫擔(dān)下平面，為使傳力更直接，拉線點(diǎn)也布置在橫擔(dān)下平面。

本文拉線塔的拉線型號為2根1×37－22.4－1570高強(qiáng)度鋼絞線［8］。拉線的設(shè)置方案優(yōu)化包括拉線點(diǎn)的布置方式優(yōu)化和拉線對地夾角優(yōu)化。

2.3.1 V型拉線塔拉線點(diǎn)位置優(yōu)化

一位紀(jì)檢干部曾講過這樣一個(gè)故事：在查閱一名違紀(jì)干部的履歷表時(shí)，他發(fā)現(xiàn)該干部曾有多次參加黨校學(xué)習(xí)和理論培訓(xùn)的經(jīng)歷，并且?guī)缀趺看慰己硕紴椤皟?yōu)秀”。為此，該紀(jì)檢干部一時(shí)困惑：“這位履歷表堪稱完美的領(lǐng)導(dǎo)，為何竟會違紀(jì)？”學(xué)風(fēng)不正、教育培訓(xùn)走過場是癥結(jié)所在。

布置拉線時(shí)首先必須滿足電氣間隙要求，并應(yīng)保證使結(jié)構(gòu)受力清晰、減少拉線對結(jié)構(gòu)的不利影響。傳統(tǒng)的做法是將拉線點(diǎn)布置在柱頂節(jié)點(diǎn)見圖3（a）。其優(yōu)點(diǎn)是塔頭和拉線的荷載直接作用在主柱頂點(diǎn)上，結(jié)構(gòu)受力清晰，橫擔(dān)本身沒有拉線產(chǎn)生的附加彎矩影響；缺點(diǎn)是邊橫擔(dān)外挑長度較大，使得導(dǎo)、地線斷線張力產(chǎn)生的扭矩作用較大，拉線錨點(diǎn)所跨面積較大、走廊寬度較大。另一種布置方式是將拉線點(diǎn)向橫擔(dān)內(nèi)移，與中導(dǎo)線V串掛點(diǎn)設(shè)在同一條縱向線上，如圖3（b）所示。其優(yōu)點(diǎn)是減小了邊橫擔(dān)外挑長度和斷線張力產(chǎn)生的扭矩影響，充分利用了塔窗空隙，同時(shí)走廊寬度也可減?。蝗秉c(diǎn)是拉線作用增加了橫擔(dān)上的附加彎矩。

圖3 拉線布置方式Fig.3 Arrangement mode of guy

為了比較2種拉線布置方式的優(yōu)劣，使用TOWER軟件對二者分別進(jìn)行建模分析。結(jié)果表明，拉線布置方式一的塔質(zhì)量比方式二大約5%。

計(jì)算結(jié)果表明橫擔(dān)和主柱的主材規(guī)格基本都是斷地線工況控制。因新規(guī)范地線的斷線張力為100%最大使用張力，而導(dǎo)線斷線張力為20%最大使用應(yīng)力，使得本文拉線塔的地線斷線張力比導(dǎo)線斷線張力大約20%，因此導(dǎo)地線斷線張力產(chǎn)生的扭矩對結(jié)構(gòu)的影響較為顯著?？梢奦型拉線塔對斷線工況較為敏感，減小橫擔(dān)外挑長度，進(jìn)而斷線產(chǎn)生的扭矩對控制塔質(zhì)量起決定性作用。因此本文推薦V型拉線塔采用第2種拉線布置方式。

2.3.2 V型拉線塔拉線對地夾角優(yōu)化

拉線對地夾角直接影響著拉線本身的受力，同時(shí)也直接關(guān)系到塔柱結(jié)構(gòu)的受力。拉線對地夾角一般將對地夾角控制在45°65°，如圖4所示。拉線角度的選取需綜合考慮拉線長度、拉線抗拉剛度、拉線錨點(diǎn)占地面積及拉線基礎(chǔ)作用力等方面的影響。拉線對地夾角減小時(shí)，會使拉線長度和占地面積增加，同時(shí)考慮邊導(dǎo)線間隙橫擔(dān)外挑長度也需調(diào)大，對結(jié)構(gòu)受力不利；但拉線在水平和縱向的抗拉剛度也隨之增加，拉線拉力的豎向分力會減小，有利于主柱的受力，同時(shí)也可使拉線基礎(chǔ)作用力減小，減少基礎(chǔ)材料量。

圖4 不同拉線對地夾角Fig.4 Different angles between cable and ground

對拉線塔的拉線對地夾角在45°65°時(shí)的塔質(zhì)量進(jìn)行了比較，見表2。其中夾角較小時(shí)已考慮了橫擔(dān)外挑長度的增加。計(jì)算結(jié)果表明，拉線對地夾角越小，塔質(zhì)量越小。但夾角較小時(shí)，因邊橫擔(dān)外挑長度加大增加了結(jié)構(gòu)的扭矩，使得塔質(zhì)量的減小幅度不大。拉線夾角變小的同時(shí)，拉線占地面積也越來越大，且夾角的變小給拉線基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)也帶來困難。考慮到綜合效益，并參考以往工程的取值，建議拉線對地夾角不大于60°，對于一些荷載較大的鐵塔，可以適當(dāng)減小對地夾角。

表2 不同拉線對地夾角的塔質(zhì)量Tab.2 Tower weight with different cable angle to ground

判斷拉線對地夾角是否合理，可通過計(jì)算桿塔的撓度確定。根據(jù)文獻(xiàn)［6］的要求，在正常風(fēng)速5m／s工況時(shí)，拉線塔頂部最大撓曲度不應(yīng)超過2 H／1000＝98 mm。經(jīng)計(jì)算，本文V型拉線塔在改條件下的撓度為12 mm，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，考慮到主柱初始變形加上螺栓滑移引起的變形量約為計(jì)算值的0.51.5倍，所以主柱最大撓度保守地取為30 mm?？梢姉U塔撓度遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，拉線對地夾角可滿足桿塔的變形要求［6，9］。

2.4 V型拉線塔的主柱截面優(yōu)化

2.4.1 截面形狀的選取

V型拉線塔的主柱為格構(gòu)式柱，其斷面可以設(shè)置為矩形或方形。由于鐵塔所受外荷載較為復(fù)雜，可能承受來自各個(gè)方向的荷載，為保證塔柱在各個(gè)方向上的剛度盡量均衡，同時(shí)考慮后期設(shè)計(jì)、加工及安裝各環(huán)節(jié)的方便，所以截面適合設(shè)置成方形。

2.4.2 主柱寬度的優(yōu)化

主柱寬度對塔質(zhì)量的影響很大。當(dāng)主柱角鋼規(guī)格一定時(shí)，柱寬越小，長細(xì)比就越大，主柱就越不穩(wěn)定，但若柱寬過大，又造成材料浪費(fèi)。因此有必要對主柱寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對拉線塔在不同主材寬度情況下的計(jì)算塔質(zhì)量進(jìn)行了比較，拉線對地夾角取60°，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同主柱寬度的塔質(zhì)量Tab.3 Tower weight with different column width

由表3中數(shù)據(jù)可知，在本文給定的荷載條件下，拉線塔的主柱寬度取1.21.6 m時(shí)塔質(zhì)量較小，取1.4 m時(shí)塔質(zhì)量最小。主柱除承受塔頭和拉線傳來的軸向壓力外，還承受斷線張力產(chǎn)生的彎矩，以及主柱自重和水平風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩。主柱寬度越小，主柱的長細(xì)比越大，承受彎矩的能力越差，因此需增大主柱主材規(guī)格來提高抗彎剛度，使得塔質(zhì)量增加。主柱寬度較大時(shí)，主材的規(guī)格變化不大，但是主柱斜材長度增加，導(dǎo)致塔質(zhì)量有所增加。因此，拉線塔設(shè)計(jì)時(shí)需確定合理的主柱寬度，使主材規(guī)格加大和斜材長度增加二者對塔質(zhì)量的影響降到最低。

3 鐵塔的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析

通過以上各種參數(shù)的優(yōu)化措施，可充分保證V型拉線塔在工程中應(yīng)用的可靠性，同時(shí)拉線塔塔質(zhì)量指標(biāo)得以降低，體現(xiàn)了V型拉線塔的經(jīng)濟(jì)性。下面對V型拉線塔與自立式鐵塔的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比分析［10］。因拉線塔主要用于西北開闊地區(qū)，因此對它與自立式鐵塔做綜合比較時(shí)不考慮其占用土地的因素。在相同設(shè)計(jì)條件下，拉線塔與自立塔的造價(jià)對比以百分比形式列于表4。

表4 V型拉線塔與自立式鐵塔指標(biāo)Tab.4 Cost between V－type guyed tower and self－standing tower %

由表4所列數(shù)據(jù)可知，V型拉線塔相對于自立式鐵塔來說，能顯著降低鋼材和混凝土的消耗量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，值得在西北開闊無人區(qū)推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語

本文對V型拉線塔的拉線設(shè)置方案及主柱截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，并利用TOWER軟件對多種方案進(jìn)行了對比計(jì)算。經(jīng)綜合分析、比較得知：V型拉線塔鐵塔采用中相V串、邊相I串的掛線方式；塔頭采用橫擔(dān)上挑式；并將拉線點(diǎn)內(nèi)置于橫擔(dān)；主柱采用方形截面，柱寬控制在1.21.6 m。此時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)，與自立式鐵塔相比，綜合造價(jià)可降低約37%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］楊磊，吳彤，郝陽，等.V型拉線塔在750 kV輸電線路工程中的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2012，33（3）：45－48.

［2］ASCE10—97 Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.ASCE，1997.

［3］ANSI／AISC360—10 Specification for Structural Steel Buildings［S］.ANSI／AISC，2010.

［4］郭峰，李晨，施菁華，等.直流輸電線路雙柱懸索拉線塔設(shè)計(jì)［J］.電力建設(shè)，2012，33（5）：78－81.

［5］GB50545—2010110 kV750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］DL／T5154—2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［7］GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］YB／T5004—2001鍍鋅鋼絞線［S］.

［9］GB50389—2006750 kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［10］DL／T5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.