輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

賈小剛

（廣州市電力工程設(shè)計院有限公司,510000）

輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

賈小剛

（廣州市電力工程設(shè)計院有限公司,510000）

本文回顧了鋼管塔結(jié)構(gòu)發(fā)展以及介紹了鋼管塔在行業(yè)內(nèi)外使用情況，結(jié)合了鋼管塔的結(jié)構(gòu)特點，分析了鋼管塔荷載計算和動力效應(yīng)問題，并鋼管塔的內(nèi)力和材質(zhì)的選擇做了詳細(xì)的概述。

輸電線路大跨鋼管塔；應(yīng)用；結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

0 引言

眾所周知，我國幅員遼闊是一個占地面積龐大，人口最多的國家，隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，我國的電力需求巨大，超高壓架空輸電線路工程已然成為了我國急需的重要戰(zhàn)略，但由于我國地理位置的制約在架設(shè)過程中會遇到很多難題，其中河網(wǎng)的密布地域的廣闊成為了超高壓架空輸電線路工程的天然屏障。在過去幾十年的努力下，我國已掌握了跨越塔設(shè)計的豐富經(jīng)驗，本文特此回顧了跨越塔設(shè)計的歷程，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗，詳細(xì)的介紹了鋼管塔的設(shè)計。

1 跨越塔的結(jié)構(gòu)類型和鋼管塔的應(yīng)用情況

1.1 跨越塔結(jié)構(gòu)介紹

跨越他塔形主要分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、組合角鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)、焊接鋼板格構(gòu)式結(jié)構(gòu)和鋼管結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是早期運用的技術(shù)，在條件比較不發(fā)達(dá)的時期，材料的加工技術(shù)還有待提高，只能勉強運用混凝土式跨越塔，這類型的跨越塔的顯著缺點就是笨重，而且塔的高度很低及不利已特高壓的輸送。相比較后期淘汰了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)運用鋼板作為材料即耐用，又能夠適合高壓輸電線路的高度，便有了組合角鋼格式結(jié)構(gòu)、焊接鋼板格構(gòu)式結(jié)構(gòu)和鋼管式結(jié)構(gòu)，其中組合角鋼格式跨越塔運用很廣泛，無論是國內(nèi)還是國外都是比較常用的，拿我們國內(nèi)來說徐上線鎮(zhèn)江大跨越塔就是這種類型，塔高180米，可傳輸500伏高壓電力。像文明遐邇的珠江跨越塔采用的則是組合角鋼斷面型式。焊接式鋼板格構(gòu)式結(jié)構(gòu)也偶有運用，相比較小的輸電線路都合適鋼板式結(jié)構(gòu)塔。另外一種重要的跨越塔結(jié)構(gòu)形式就是鋼管塔式大跨越塔，由于現(xiàn)代材料的強度的提升，國內(nèi)外的相關(guān)專家發(fā)現(xiàn)鋼管塔式跨越塔很有應(yīng)用前景，尤其是現(xiàn)代科技對鋼材強度的提高，很利于這一跨越塔的發(fā)展。

1.2 鋼管塔的使用介紹

鋼管式結(jié)構(gòu)在行業(yè)內(nèi)是一種高聳的構(gòu)架，它在著名的建筑設(shè)計中運用的很廣泛，當(dāng)然我們熟悉的也運用的普遍，我們熟知的電視塔通信塔導(dǎo)航塔輸電塔，其中英國bbc廣播公司采用的多邊形鋼管塔結(jié)構(gòu)形式很引人注目，現(xiàn)如今已成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑。

談到鋼管式跨越塔，就不得不提到日本和韓國這兩個具有豐富經(jīng)驗的國家，這兩個國家在鋼管塔的設(shè)計和制造方面走在前列，日本在電力輸送方面普遍采用鋼管式結(jié)構(gòu)，尤其是日本的跨海輸電工程，就連當(dāng)初日本的第一條1000千伏的跨海輸電試驗線都是采用的高強度鋼材的鋼管塔。韓國在這方面也是憑借著強大的工業(yè)技術(shù)在輸電線路方面也是全面采用鋼強度鋼管式塔。

2 鋼管塔式面臨的問題

鋼管塔的基本構(gòu)建是圓斷面鋼管，在體形系數(shù)方面，較型鋼斷面小很多，但在實際的加工中鋼管的斷面是N邊形近似圓，這樣的圓存在菱角問題。在實際的焊接過程中經(jīng)常需要焊接腳釘、連接板等掛件，本身加工出來的斷面就不光滑，由于又需要添加的掛件，所以在鋼管構(gòu)建前的體形系數(shù)選擇上就要合理。通常鋼管表面光滑的鋼管塔整體體型系數(shù)為角鋼塔體型系數(shù)的0.6倍，但需要考慮還未添加腳釘和其他掛件這時就不能以0.6倍來計算了，而需要在實際操作中以0.82倍進行計算。

在實際整塔構(gòu)件件會存在截面細(xì)微差別，而且還受橫向風(fēng)震動的影響，在施工前一定要進行風(fēng)洞試驗測試，以確保細(xì)管的截面之差控制在合理的范圍內(nèi)，有經(jīng)驗的可以根據(jù)以往的施工經(jīng)驗控制這一截面差。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的記載主材的長細(xì)控制在120以內(nèi)比較合理，斜材和輔助材料的長細(xì)比要在160以內(nèi)較為合理，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的資料再結(jié)合建筑構(gòu)造進行計算，也能控制好構(gòu)件橫向振動產(chǎn)生的影響。

另一個突出的問題就是受到高度的影響鋼材會受到風(fēng)向荷載，隨著構(gòu)件的高度和鋼材的設(shè)計的不同而風(fēng)向載荷也會大有不同。在計算風(fēng)荷效應(yīng)時，風(fēng)荷系數(shù)一定不要選用一般的輸電塔采用的定值，需要根據(jù)風(fēng)洞測試的具體結(jié)果并根據(jù)相關(guān)的單位曾經(jīng)做過類似的高塔風(fēng)振的研究進行比較，合理的運用風(fēng)荷系數(shù)。下面是風(fēng)荷系數(shù)的計算公式：

3 輸電線路大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

3.1 鋼管塔內(nèi)力計算

完成鋼管塔結(jié)構(gòu)模型建設(shè)，后面就是對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析，內(nèi)力分析我們采用的是內(nèi)應(yīng)力分析軟件，內(nèi)應(yīng)力軟件能精確的描繪結(jié)構(gòu)第一振型，振型中的內(nèi)應(yīng)力參數(shù)可以很好的為我們鋼管塔結(jié)構(gòu)構(gòu)架提供重要參考。此外，內(nèi)應(yīng)力軟件大多數(shù)只能考慮結(jié)構(gòu)第一振型，采用線性分析方法有明顯的局限性，一旦高度很高構(gòu)件復(fù)雜時，第一振型會有明顯的偏差，此時的線性分析出來的參數(shù)會有明顯的誤差。因此，在進行對高度比較高又復(fù)雜的塔進行分析時，一定需要考慮結(jié)構(gòu)的高振型，并對結(jié)構(gòu)的二次效應(yīng)進行分析，二次效應(yīng)可以通過有限元模態(tài)對局部構(gòu)件的影響考慮進去，從而得出來的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

鋼管塔構(gòu)件的截面選擇上除了考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力、強度以及穩(wěn)定性，還要對材料的長細(xì)比、徑厚比、節(jié)點局部穩(wěn)定性綜合考量。一般的再內(nèi)力相同的情況下，斷面直徑加大可以減小管壁，對塔重也可以減輕，節(jié)省材料，但有利同時也有弊，對于直斷面徑的加大，會造成擋風(fēng)面積變大，會對管壁的穩(wěn)定性造成影響，在考慮徑厚的時候一般有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，盡量將徑厚控制在D/d小于100以內(nèi)，避免鋼管的內(nèi)應(yīng)力過大使得自身局部彎曲。

鋼管在壁厚方向上也存在受力問題，在歐美一些國家，他們對壁厚有嚴(yán)格的要求。鋼材設(shè)計中明確要求焊接鋼結(jié)構(gòu)材料屈服極限要控制在355MPa以內(nèi)，甚至有的提高到了460MPa，但我國普遍屈服極限沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在塔的建設(shè)上我們要有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 鋼管塔節(jié)點選擇

通常鋼材的主體結(jié)構(gòu)采用的是“KK”、“TT”節(jié)點方式，在斜材和輔助材料方面則采用的是“x”、“k”、“T”、“*”四中節(jié)點方式，每種節(jié)點方式，要對應(yīng)相應(yīng)的計算公式，并且每個計算公式都有相應(yīng)的適用條件。適用條件為：（1）主管和支管要相通；（2）支管外徑和主管外徑比要在0.2到1之間；（3）支管外徑和支管壁厚比要在60之內(nèi)，主管外徑與壁厚比要控制在100以內(nèi)；（4）主管和支管的夾角要大于30°

3.3 鋼管塔的設(shè)計要求

鋼管塔結(jié)構(gòu)簡單，但在設(shè)計結(jié)構(gòu)處會有復(fù)雜的節(jié)點，甚至有的局部還出現(xiàn)三相應(yīng)力集中的狀態(tài)，這是設(shè)計時最不能看到的狀態(tài)，在設(shè)計過程中要盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域，要對可能出現(xiàn)的構(gòu)造采取特別的處理方法。特別是導(dǎo)線與地線的掛點處，以及橫擔(dān)與塔身的節(jié)點處，急需注意避免重心偏離或者應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

（1）焊接前，對于比較大的插板，要提前對插板進行剖口以及預(yù)熱處理。

（2）焊接薄壁鋼管和后板時，焊縫的位置不能太高，防止對母材的破壞，以及造成鋼管的承受能力不足。

（3）布置塔腿法蘭、加勁板和地腳螺栓時要注意檢查，出現(xiàn)碰撞的配件會造成影響。

（4）交叉斜材叉點要適當(dāng)加大不開段的直徑，避免兩管徑相通的位置出現(xiàn)開段的想象。

（5）在塔體附屬設(shè)施與主體塔身的鏈接處，要注意附屬設(shè)施的強度，對于屈服極限和強度極限都要在嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，相應(yīng)的還要滿足變形要求，特別像走道、陽臺、樓梯之類得附屬設(shè)施。

4 結(jié)束語

輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究對于我們的特高壓輸電系統(tǒng)的建設(shè)能提供重要的技術(shù)支持，同時也進一步為我們的特高壓輸電技術(shù)走出國門奠定了基礎(chǔ)。

[1]董建堯-輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計-創(chuàng)新、科學(xué)、發(fā)展研討交流會-2014（2）：12-13

[2]明進文-輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計探討-《電子測試》-2015（4）：21-22

[3]蘭長俊-輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計分析-《低碳世界》-2016（3）：31-32

[4]劉磊-淺談輸電線路大跨越鋼管塔的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計-《建筑與發(fā)展》-2014（3）：26-23

賈小剛1982年04月01日，男，漢，廣東省廣州市，現(xiàn)任職單位：廣州市電力工程設(shè)計院有限公司，工程師，輸電線路設(shè)計。

Application and structure design of large span steel pipe tower for transmission line

Jia Xiaogang
（Guangzhou Electric Power Engineering Design Institute Co.,Ltd.510000）

This paper reviews the development of steel tower structure and introduces the steel tower used in the industry home and abroad,combined with the structure characteristics of steel tower,steel tower load calculation and analysis of the dynamic effect,and the internal force and the steel tower in the choice to do a detailed overview.

transmission line large span steel tube tower;application;structure design research