中國與巴西輸電塔及基礎(chǔ)設(shè)計比較與分析

楊冠穎，徐震，孫宗德

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

中國與巴西輸電塔及基礎(chǔ)設(shè)計比較與分析

楊冠穎，徐震，孫宗德

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013）

介紹巴西輸電塔及基礎(chǔ)的設(shè)計特點，并從設(shè)計條件、鐵塔外形、設(shè)計規(guī)范、基礎(chǔ)型式等方面梳理分析巴西與中國桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計的差異及其原因，可為涉外輸電工程的設(shè)計提供參考。

輸電塔；鐵塔基礎(chǔ)；設(shè)計規(guī)范

0引言

近年來，隨著巴西經(jīng)濟的迅速發(fā)展，巴西輸電網(wǎng)逐步擴大，輸電線路總長從2007年的8.9萬km增至2011年的10.3萬km。預(yù)計到2021年，巴西將新建168條線路，輸電線路總長將增至15.05萬km［1］。通過對比中國和巴西輸電塔及基礎(chǔ)材料量（表1）發(fā)現(xiàn)，指標差異較大。

表1 輸電塔及基礎(chǔ)材料量指標對比

1 桿塔設(shè)計

巴西桿塔設(shè)計規(guī)范以ASCE（美國土木工程師協(xié)會）規(guī)范為主，如ASCE No.52［3］、ASCE 10-97［4］等，其他還有IEC-826［5］、NBR 5422［6］等。

1.1 設(shè)計條件

1.1.1 風(fēng)速

巴西規(guī)范定義的基本風(fēng)速與中國規(guī)范一致，均指距離B級粗糙度地面高為10m、平均時距為10min、一定重現(xiàn)期的年平均最大風(fēng)速［6］。只是重現(xiàn)期不同，巴西38～800 kV輸電線路風(fēng)荷載重現(xiàn)期均為50年，中國規(guī)范規(guī)定750 kV和500 kV重現(xiàn)期為50年，330 kV及以下重現(xiàn)期為30年［7］。不同風(fēng)速對應(yīng)不同的基準風(fēng)壓標準值，其公式為

式中：W0為基準風(fēng)壓標準值，kN／m2；V為基準高度為10 m的風(fēng)速，m／s。

1.1.2 覆冰

巴西除北部高原的局部地區(qū)外，線路均無覆冰影響，中國則多地冬季有10～15 mm覆冰。中國現(xiàn)有規(guī)程中主要有3種與覆冰相關(guān)的計算工況：正常覆冰、覆冰斷線、不均勻覆冰。對于懸垂型塔，覆冰主要是影響其斜材和輔助材的選材，一般不影響主材。根據(jù)計算，無覆冰與10mm覆冰相比，在其他條件相同的前提下，塔重輕約5%；對于耐張型塔，覆冰可影響主材的選材，無覆冰與10 mm覆冰相比，塔重輕約10%。

無覆冰條件下，相鄰導(dǎo)地線無需水平偏移，橫擔(dān)長度可縮短，塔重也相應(yīng)降低。

1.1.3 導(dǎo)線型號

巴西導(dǎo)線截面積使用歐洲標準MCM（即millecircle mil），1MCM＝0.5067mm2。對比巴西4×954MCM型導(dǎo)線與中國4×LGJ-500／45型鋼芯鋁絞線，見表2。

表2 導(dǎo)線參數(shù)對比

根據(jù)導(dǎo)線水平風(fēng)荷載標準值的計算公式

式中：Wx為垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標準值，kN；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μsc為導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；βc為導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；d為導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑，m；Lp為桿塔的水平檔距，m；B1為導(dǎo)、地線及絕緣子串覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角，（°）。

相同條件下，954 MCM導(dǎo)線所受風(fēng)荷載標準值為LGJ-500／45導(dǎo)線的98.6%。

1.1.4 地線型號

地線型號巴西與中國差別不大，對塔重?zé)o明顯影響。

1.2 鐵塔外形尺寸

1.2.1 導(dǎo)線布置

中國500 kV雙回路塔（如圖1）常規(guī)為導(dǎo)線垂直鼓型排列、三層橫擔(dān)（主要是考慮節(jié)約走廊）；巴西500 kV雙回路塔（如圖2）尤其拉線塔多為導(dǎo)線三角形排列、兩層橫擔(dān)，在相同呼高條件下鐵塔全高較小，塔重相對較輕。經(jīng)對比，相同條件下，兩層橫擔(dān)構(gòu)造比三層橫擔(dān)構(gòu)造塔重輕3%～8%。

1.2.2 絕緣子串長度

巴西污穢等級較低，一般相當(dāng)于中國標準的I級或Ⅱ級，故所用絕緣子串長度較小，相應(yīng)風(fēng)偏較小，從而可縮短橫擔(dān)長度、縮小橫擔(dān)垂直距離，有效降低塔重。經(jīng)計算對雙回路塔重可減輕約10%。巴西雙回路懸垂型塔絕緣子串一般采用三相V型串布置，相對于I型串布置，塔頭尺寸較小，可有效降低塔重。

圖1 中國500 kV雙回路塔

圖2 巴西500 kV雙回路塔

1.2.3 塔身橫截面形狀

巴西輸電線路一般無覆冰，不存在不均勻覆冰受彎及扭轉(zhuǎn)工況，順線路方向的荷載較小，所以順線路方向塔身截面尺寸較小，即塔身橫截面為長方形，從而減小了構(gòu)件長度，節(jié)省了塔材用量。

1.2.4 塔身坡度

經(jīng)現(xiàn)場考察調(diào)研可知，巴西鐵塔占地面積通常較大，塔身坡度較緩。中國建設(shè)輸電線路時只征用塔基的占地面積，為減少征地面積而將塔身坡度設(shè)計得較陡。以相近使用條件下500 kV雙回路直線塔39 m呼高為例，中國的鐵塔塔身坡度為85°～88°，而巴西為80°（正面）、83°（側(cè)面）；國內(nèi)塔正側(cè)面根開均為11.0 m，巴西塔正面根開為15.4 m，側(cè)面根開為11.0 m。

塔身坡度較緩有利于降低塔身主材受力，減小主材規(guī)格，但塔身斜材長度增加。塔身坡度與塔重成拋物線關(guān)系，存在一個最優(yōu)塔身坡度，對應(yīng)一個最小塔重。中國在計算最優(yōu)塔身坡度時受征地面積限制，而巴西可不考慮此限制。

1.3 材料性能

巴西桿塔材料執(zhí)行ASTM（美國測試與材料協(xié)會）標準［8］和ISO標準。角鋼執(zhí)行ASTM A36和ASTM A572（Gr50及Gr60），螺栓執(zhí)行ISO898-1。其中，ASTM A36屬于普通碳素鋼，ASTM A572屬于高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼。各主要設(shè)計參數(shù)對比見表3。

1.4 設(shè)計規(guī)范

巴西桿塔設(shè)計主要依照ASCE標準，不考慮構(gòu)件的材料缺陷。由于制造工業(yè)所限，中國桿塔規(guī)范還考慮了化學(xué)成分、尺寸、制造誤差等非設(shè)計因素，使得中國桿塔構(gòu)件規(guī)格較大，連接板、螺栓較多，重量較重［9］。按ASCE標準計算比按國內(nèi)規(guī)范計算，相同條件下，鐵塔重量可減輕5%以上。

表3 鋼材強度對比N／mm2

1.5 拉線塔的應(yīng)用

經(jīng)現(xiàn)場考察調(diào)研，巴西線路工程中拉線塔（如圖3）應(yīng)用較多，平地地形條件下，單回線路拉線塔比例一般為80%左右，在雙回線路中因考慮安全等因素拉線塔采用比例較低。中國在《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》中明確表示：“220 kV及以上新建線路在農(nóng)田、繁華地段不宜采用拉線塔?！币虼私陙韲鴥?nèi)220 kV及以上新建線路已基本不用拉線塔。經(jīng)計算分析，拉線塔塔重約為相同條件下自立塔的70%左右。

1.6 桿塔設(shè)計軟件

巴西主要是使用輸電桿塔設(shè)計軟件“TOWER”，該軟件可以引用ASCE、CENELEC、ECCS等多種標準，采用有限元法進行分析計算，可進行幾何非線性分析，可檢測塔材的三維碰撞等。此外，某些鐵塔計算還使用計算機程序“AETOR”，其適用于位移法的空間格構(gòu)的計算。國內(nèi)軟件與“TOWER”軟件的相關(guān)功能和水平相似。

圖3 巴西500 kV雙回路懸垂型塔（拉線式）

2 基礎(chǔ)設(shè)計

巴西桿塔基礎(chǔ)設(shè)計執(zhí)行ABNT（巴西技術(shù)標準協(xié)會）標準，主要有NBR6122［10］、NBR6118［11］等。

鐵塔基礎(chǔ)按施工工藝可分為開挖式基礎(chǔ)、掏挖式基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)型式。相同條件下，按國內(nèi)規(guī)范設(shè)計的斜柱板式、直柱板式等開挖式基礎(chǔ)的材料量與巴西相近。

2.1 基礎(chǔ)型式的選擇

斜柱板式、直柱板式等開挖式基礎(chǔ)的設(shè)計及施工經(jīng)驗成熟，中國應(yīng)用較多；而巴西多采用掏挖式、樁式等原狀土基礎(chǔ)，如圖4。此類基礎(chǔ)開挖量很小，環(huán)保性好，材料量一般也較少。巴西500 kV線路常用的基礎(chǔ)類型如表4所示。

表4 巴西500 kV線路常用基礎(chǔ)類型

2.2 鐵塔與基礎(chǔ)的連接方式

巴西鐵塔一般采用插入角鋼與基礎(chǔ)連接，基礎(chǔ)也多為斜柱式，插入角鋼坡度與鐵塔主材坡度一致，受力較好；在中國考慮施工難度及事故后能夠及時修復(fù)等因素，耐張型等重要桿塔采用直柱地腳螺栓方式連接。

圖4 巴西原狀土基礎(chǔ)

2.3 鐵塔的因素

相同導(dǎo)地線荷載條件下，鐵塔塔重變化對基礎(chǔ)作用力影響較小。而鐵塔根開變化對基礎(chǔ)作用力影響明顯，二者基本成反比關(guān)系。例如前述鐵塔根開由11.0 m增大為15.4 m，則基礎(chǔ)作用力可減小至原來的約71%，從而基礎(chǔ)材料量可減小至原來的約87%。

另外拉線塔的使用也使線路基礎(chǔ)材料量降低，經(jīng)分析比較，拉線塔基礎(chǔ)材料量僅為相同條件自立塔的1／4左右。

2.4 設(shè)計規(guī)范及計算方法

2.4.1 基礎(chǔ)附加分項系數(shù)

按巴西規(guī)范直線塔基礎(chǔ)計算時基礎(chǔ)附加分項系數(shù)取1.1，30°轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)取1.15，30°以上轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)取1.2；中國規(guī)范取值分別為1.1、1.6、1.6，從而30°和30°以上轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)的最小抗拔力比巴西分別大39%、33%，即按中國規(guī)范基礎(chǔ)設(shè)計尺寸較大。經(jīng)計算，按巴西標準計算30°及以上轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)材料量可節(jié)省15%左右。

2.4.2 基礎(chǔ)底面壓力

巴西規(guī)范未考慮永久荷載分項系數(shù)，中國規(guī)范則使用了永久荷載分項系數(shù)，使基礎(chǔ)更為安全；對于原狀土基礎(chǔ)，巴西規(guī)范未考慮基礎(chǔ)上部的土重，中國規(guī)范則計入了基礎(chǔ)上部的土重，對于基礎(chǔ)計算也更為安全。經(jīng)計算，按巴西標準計算基礎(chǔ)材料量可節(jié)省5%左右。

2.5 材料性能

基礎(chǔ)常用混凝土和鋼筋的參數(shù)對比見表5（中國以C20級混凝土和HRB335鋼筋為例）。

表5 基礎(chǔ)材料參數(shù)對比

表中阻力緩解系數(shù)即材料標準值與設(shè)計值的比值。

從表中可看出：混凝土抗壓強度設(shè)計值巴西比中國高11.6%；鋼筋屈服強度設(shè)計值巴西比中國高42.0%；混凝土密度巴西比中國高11.4%。在計算基礎(chǔ)時巴西材料有明顯優(yōu)勢。經(jīng)計算，按巴西材料參數(shù)計算比按國內(nèi)能節(jié)省混凝土3%左右，節(jié)省鋼筋5%～10%。

巴西基礎(chǔ)常用混凝土的強度性能與國內(nèi)C25或C30級混凝土相近?；A(chǔ)尺寸主要取決于基礎(chǔ)作用力、土體對基礎(chǔ)的作用等，混凝土強度對基礎(chǔ)材料量影響不大，但對基礎(chǔ)的耐久性、耐腐蝕性等方面有較大影響。

2.6 基礎(chǔ)埋深

經(jīng)考察，巴西基礎(chǔ)埋深較大，開挖式基礎(chǔ)埋深一般為底板邊長的1.2～1.3倍。加大基礎(chǔ)埋深減小基礎(chǔ)底板的做法，可有效節(jié)省混凝土用量。

3 結(jié)語

介紹了巴西輸電塔及基礎(chǔ)的設(shè)計特點，并分析了巴西與中國設(shè)計差異的原因。

隨著近年來國家電網(wǎng)公司成功進入巴西電力市場，我國與巴西的電力技術(shù)交流也日益頻繁，因此，對巴西輸電塔及基礎(chǔ)的研究對于兩國的電力技術(shù)交流以及中國企業(yè)開拓巴西電力市場都具有積極意義。

目前，國內(nèi)對巴西輸電塔及基礎(chǔ)設(shè)計的研究尚少，而進行巴西電網(wǎng)工程的設(shè)計更是處于剛起步階段。隨著對相關(guān)規(guī)范的深入消化以及對巴西輸電塔及基礎(chǔ)設(shè)計特點的進一步掌握，相關(guān)設(shè)計能力將會不斷提升。

［1］周志偉.巴西電力發(fā)展現(xiàn)狀及中巴電力合作分析［J］.中國電力企業(yè)管理（綜合），2013（6）：24-27.

［2］劉振亞.國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用造價：500 kV輸電線路分冊（2010年版）［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［3］ASCE No.52Guide for Design of Steel Transmission Towers［S］.

［4］ASCE 10-97Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.

［5］IEC-826Loading and strenght of overhead transmission lines［S］.

［6］NBR 5422Projeto de linhas aéreas de transmiss o de energia elétrica［S］.

［7］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］ASTM：A572／A572MStandard Specification for High Strength Low Alloy Columbium-Vanadium Structural Steel［S］.

［9］郭日彩.美國輸電線路典型設(shè)計概況及對我國電網(wǎng)工程設(shè)計建設(shè)的啟示［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（12）：33-41.

［10］NBR 6122Projeto e execuco de fundaces［S］.

［11］NBR 6118Projeto de estruturas de concreto-Procedimento［S］.

Comparison and Analysis of Transmission Towers and Foundation between China and Brazil

YANG Guanying，XU Zhen，SUN Zongde
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd.，Jinan 250013，China）

An introduction is given on transmission towers and foundation in Brazil.Differences and reasons of transmission towers and foundation between China and Brazil are analyzed，including design condition，tower outline，design code，foundation type and so on.The contents can be used as a reference for the design of overseas transmission line engineering.

transmission tower；tower foundation；design code

TM753

B

1007-9904（2015）08-0060-04

2015-04-02

楊冠穎（1981），男，工程師，主要從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作；

徐震（1981），男，工程師，主要從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作；

孫宗德（1970），男，高級工程師，主要從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究工作。