特高壓直流線路黃河大跨越鐵塔設(shè)計(jì)

劉洪昌，駱　強(qiáng)，楊　明，辜良雨

（1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都　610021；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南　250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南　250012）

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特高壓直流線路黃河大跨越鐵塔設(shè)計(jì)

劉洪昌1，駱強(qiáng)2，楊明3，辜良雨1

（1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，成都610021；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

摘要：黃河大跨越鐵塔作為上海廟—山東特高壓直流輸電線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具有高度大、負(fù)荷大等特點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)地優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)美觀的目的。通過對塔頭型式、結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比對，推薦ZKT直線跨越塔采用展翅型鋼管塔，同時(shí)對鐵塔的口寬坡度、隔面型式、節(jié)點(diǎn)處理等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并設(shè)計(jì)了人性化高、經(jīng)濟(jì)性好的附屬設(shè)施方案。

關(guān)鍵詞：黃河大跨越；塔頭型式；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；材料；連接；附屬設(shè)施

0　引言

±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電線路工程是我國西電東送、優(yōu)化能源配置的重要特高壓線路，通過輸送綠色能源，對東部的大氣污染防治起到有效緩解作用。本工程在棗包樓處跨越黃河，跨越方式采用“耐—直—直—耐”，耐張段長度為2 766 m，檔距分布為724 m、1 037 m、1 005 m，其中兩岸直線跨越塔呼高均采用100 m。

大跨越作為輸電線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，且高度大、負(fù)荷大，有必要進(jìn)行詳細(xì)地優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)美觀的目的［1］。

1　塔型選擇

導(dǎo)線和地線的布置，除滿足電氣間隙要求及導(dǎo)地線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)的絕緣間隙外，還應(yīng)考慮桿塔結(jié)構(gòu)布置的合理性。本工程大跨越塔塔頭型式的優(yōu)化原則是：在滿足電氣間隙的前提下，塔頭尺寸盡量合理緊湊，同時(shí)保證塔頭結(jié)構(gòu)布置簡潔、傳力清晰。

根據(jù)電氣間隙以及地線對導(dǎo)線的保護(hù)要求，大跨越塔的塔頭布置一般有導(dǎo)線、地線橫擔(dān)分開布置和導(dǎo)線、地線復(fù)合一體橫擔(dān)布置兩種類型，4種布置方案。地線掛線部位設(shè)計(jì)采用三角外懸結(jié)構(gòu)，外力通過三角結(jié)構(gòu)直接傳到橫擔(dān)主材，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，力傳遞路徑簡捷，適當(dāng)?shù)耐鈶议L度還可減小橫擔(dān)端部尺寸及坡度。不同塔頭布置型式的比較見表1。

通過比較，方案1展翅型外形舒展美觀，同時(shí)電氣間隙配合較緊湊，結(jié)構(gòu)受力簡潔。與其他方案相比，其塔身高度低，桿塔所受風(fēng)荷載小，同時(shí)橫擔(dān)長度有所減小，塔重小。目前，±800 kV哈密—鄭州特高壓直流線路、±800 kV靈州—紹興特高壓直流線路等工程的大跨越直線塔均采用該種塔頭型式，運(yùn)行狀況良好。因此，ZKT直線跨越塔采用方案一展翅型。

表1　跨越塔塔頭型式比較

2　結(jié)構(gòu)方案選擇

目前，國內(nèi)外已建成的大跨越塔型主要有鋼筋混凝土塔、角鋼塔和鋼管塔等型式。其中，鋼筋混凝土塔只在鋼材價(jià)格較高的情況下才有一定的優(yōu)越性，但其自身質(zhì)量大，對地質(zhì)條件要求高，基礎(chǔ)材料耗量大，且混凝土塔筒的澆制質(zhì)量較難控制，以往的大跨越工程中曾不同程度地出現(xiàn)過裂縫、露筋、鼓肚、狗洞等現(xiàn)象。因此，本工程跨越塔不采用混凝土塔。角鋼塔、鋼管塔目前均有工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其對比結(jié)果見表2。

從結(jié)構(gòu)受力特性來看，由于大跨越桿塔高度高，塔身風(fēng)壓對桿件內(nèi)力的影響很大，經(jīng)初步計(jì)算大跨越塔塔身風(fēng)荷載占整個(gè)桿塔系統(tǒng)風(fēng)荷載的比重為50%～60%，所以選用塔身風(fēng)荷載效應(yīng)較小的鋼管塔結(jié)構(gòu)型式尤為重要［2］。

從加工制造方面來看，目前國內(nèi)加工鋼管塔已不存在技術(shù)問題，許多加工廠都具備了軋制大尺寸圓形鋼管的能力，而且加工質(zhì)量都比較好。

施工安裝方面，鋼管塔的構(gòu)件數(shù)量與組合斷面角鋼塔相比，可減少60%以上，這對鐵塔運(yùn)輸和吊裝中桿件的核對、堆料、組裝等提供諸多方便，可以縮短安裝周期，施工質(zhì)量容易控制，也有利于施工安全。

表2　角鋼塔與鋼管塔對比

另外，在國內(nèi)外鋼管塔已具有良好的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。早在20世紀(jì)70年代開始國內(nèi)先后成功設(shè)計(jì)了一系列的鋼管塔，±660 kV寧東—山東直流工程黃河大跨越、500 kV濱州—東營—壽光黃河大跨越、±800 kV哈密—鄭州直流特高壓黃河大跨越等工程均采用了鋼管塔，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。

因此，ZKT直線跨越塔采用鋼管塔。

3　塔身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1塔身截面選擇

塔身截面主要有方形截面和矩形截面兩種，方形截面剛度較強(qiáng)，對于跨越塔，塔高較高，橫向的水平風(fēng)荷載較大，為保證跨越塔在縱向、橫向的整體剛度，推薦跨越塔塔身斷面采用方形。

3.2塔身坡度的優(yōu)化

塔身坡度取值對鐵塔單基重量有著重要影響，它直接影響主、斜材的規(guī)格。塔身坡度越大，主材受力越小、基礎(chǔ)作用力也越小，但斜材長度增加；反之，主材受力加大，基礎(chǔ)作用力也加大，但斜材長度減小。合理的塔身坡度應(yīng)使塔身主材應(yīng)力分布的變化與材料規(guī)格的變化相協(xié)調(diào)，使主材受力均勻；同時(shí)，還應(yīng)考慮到塔身坡度對鐵塔占地面積和基礎(chǔ)造價(jià)的影響，力求做到鐵塔和基礎(chǔ)綜合造價(jià)最低。

為此，對ZKT直線跨越塔塔身上段坡度（坡度范圍0.055～0.090，級差0.005）和下段坡度（坡度范圍0.09～0.13，級差0.01）分別進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果見表4及圖1。

表4　不同坡度組合下對應(yīng)塔重

圖1　ZKT塔重隨塔身坡度變化關(guān)系

從圖1、表4可見，塔身上段坡度取0.075、下段坡度取0.11時(shí)，塔重指標(biāo)最低。因此，根據(jù)塔重最輕原則，推薦本工程跨越塔塔身上段坡坡度取0.075、下段坡度取0.11。

3.3塔身隔面優(yōu)化

合理的設(shè)置塔身橫隔面，可有效地增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，對向下傳遞結(jié)構(gòu)上部因外荷載產(chǎn)生的扭力、均衡塔身構(gòu)件內(nèi)力具有明顯的作用。

根據(jù)構(gòu)造要求：在鐵塔塔身變坡處、直接受扭力的斷面處和塔頂及塔腿頂部斷面處必須設(shè)置橫隔面；在塔身坡度不變段內(nèi)，橫隔面設(shè)置的間距一般不大于平均寬度的5倍，也不宜大于4個(gè)主材分段。當(dāng)大跨越桿塔要設(shè)置鐵塔攀爬機(jī)時(shí)，為了使其水平風(fēng)荷載能有效地傳遞至塔身，且考慮登塔設(shè)施在塔身中段的?？?，橫隔面設(shè)置的間距不宜過大，建議不超過40 m。常用的隔面型式見圖2。

圖2　鋼管塔中常用的隔面型式

大跨越鋼管塔的橫隔面型式應(yīng)力求簡潔，可靠，傳力清晰，同時(shí)考慮爬梯及攀爬機(jī)軌道風(fēng)荷載的傳遞。與型式c相比，型式a無法有效傳遞攀爬機(jī)軌道的風(fēng)荷載，型式b隔面不能形成筒型結(jié)構(gòu)，不利于鐵塔組立時(shí)懸浮抱桿的架設(shè)，型式d布置復(fù)雜，傳力不夠簡潔，因此推薦采用隔面型式c。

4　節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

一般情況下，鋼管塔是按空間桁架模型做整體計(jì)算，節(jié)點(diǎn)均為鉸接，但實(shí)際設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)處理并不是完全鉸接。一般來說，節(jié)點(diǎn)處的主管是連續(xù)的，與支管的連接可以是鉸接也可以是部分剛性連接。這樣既可以提高塔的整體剛度和穩(wěn)定性，又不至于造成過大的計(jì)算誤差。

鉸接一般用于鋼管塔主管與支管間的連接，主要連接型式為插板連接。部分剛性連接主要分兩大類：法蘭連接和相貫焊縫連接。

4.1法蘭連接

在鋼管塔結(jié)構(gòu)中，法蘭連接［3］節(jié)點(diǎn)往往采用有加勁肋的剛性法蘭、無加勁肋的柔性法蘭和鍛造法蘭，如圖3～5所示。

圖3　剛性法蘭節(jié)點(diǎn)

圖4　柔性法蘭節(jié)點(diǎn)

圖5　鍛造法蘭

剛性法蘭剛度較好、強(qiáng)度較高，但是大量的手工焊接工作量使得法蘭的加工效率低下。柔性法蘭盡管省去了大量的加勁板的焊接，但是其剛度較差，法蘭的螺栓受到法蘭端部的翹力作用，影響法蘭整體的受力性能。鍛造法蘭在1 000 kV皖電東送工程中廣泛應(yīng)用，采用對焊帶頸法蘭，焊接工作量大大減少、法蘭剛度能得到保證，且生產(chǎn)效率大大提高。但鍛造法蘭單價(jià)較高，且鍛造法蘭需與被連接的兩個(gè)鋼管規(guī)格相匹配，每個(gè)型號的鍛造法蘭均需制作相應(yīng)模具，需求量較少時(shí)采購十分困難。

鑒于大跨越工程的重要性并結(jié)合采購難易度，ZKT直線跨越塔法蘭連接推薦采用剛度大、連接可靠的剛性法蘭。

4.2相貫焊縫連接

鋼管塔的桿件交匯點(diǎn)一般優(yōu)先采用相貫線焊縫連接。其優(yōu)點(diǎn)在于剛度和承載力大，不用輔助連接材料，用鋼量小，但是相貫線和坡口切割質(zhì)量要求較高；當(dāng)焊縫較厚時(shí)，焊縫殘余應(yīng)力和變形較大。

對于導(dǎo)線橫擔(dān)主材與塔身主材的連接以及受力較大的斜材與主材連接，推薦采用相貫線焊縫連接。

4.3插板連接

插板連接［4-5］，連接螺栓受剪，屬于鉸接，相比相貫連接和法蘭連接加工方便，安裝也更容易，但節(jié)點(diǎn)剛度較小。

根據(jù)形狀進(jìn)行分類，插板主要分為槽型插板、U型插板和十字插板等3種型式。

槽型板連接如圖6所示。本連接方式屬于單剪連接，支管通過焊縫將力傳遞給槽型板，槽型板通過螺栓傳遞給連接板，連接板再通過焊縫傳遞給主管，該連接方式節(jié)點(diǎn)存在偏心，但其加工安裝方便，適用于輔材和受力較小的斜材。

圖6　槽型板連接

U型板連接如圖7所示。本連接方式通過支管上的U形插板和主管上的連接板之間螺栓的雙剪來傳遞內(nèi)力。支管通過焊縫將力傳給U形板，U形板通過螺栓將力傳給中間插板（連接板），連接板再通過焊縫將力傳給主管。與單剪連接相比，節(jié)點(diǎn)不存在偏心，承載力較大，相比相貫連接用鋼量較省，但該連接方式節(jié)點(diǎn)側(cè)向無支撐，受壓時(shí)局部穩(wěn)定較弱，因此，只適用于受拉構(gòu)件。

圖7　U型板連接

十字型板連接如圖8所示。本連接方式屬于雙剪連接，節(jié)點(diǎn)不存在偏心，承載力較大，相比U型插板加工和安裝比較方便，且該連接方式局部穩(wěn)定性較好，適用于受力較大的斜材和不適合采用相貫連接的桿件。

圖8　十字型板連接

5　附屬設(shè)施

5.1登塔設(shè)施

為確保在各種實(shí)際及突發(fā)情況下，檢修維護(hù)人員均可進(jìn)行登塔作業(yè)，同時(shí)，確保作業(yè)人員可到達(dá)鐵塔任何位置，大跨越鐵塔應(yīng)包括多種登塔途徑，包括載人提升裝置、爬梯或旋梯、腳釘或腳釘管等。

ZKT直線跨越塔全高104.5 m，塔高較大，人工登塔措施推薦采用腳釘及沿塔面的斜爬梯。除此之外，該塔還需設(shè)置動(dòng)力載人提升裝置。目前，常用的大跨越鐵塔動(dòng)力載人提升裝置包括攀爬機(jī)［6］（見圖9）、施工升降機(jī)及井筒式電梯3種方案。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，各方案對比如表5～6所示。

圖9　攀爬機(jī)結(jié)構(gòu)

通過對比可以看出，攀爬機(jī)每次安裝、拆卸不超過15 min，具有裝拆簡便，耗時(shí)最短，對鐵塔受力影響最小，成本最低，自備電源等優(yōu)點(diǎn)。與攀爬機(jī)相比，施工升降機(jī)和井筒式電梯擋風(fēng)面積大，施加給鐵塔的風(fēng)荷載大，因此對鐵塔影響較大；需要專人維護(hù)和保養(yǎng)，檢修維護(hù)工作復(fù)雜繁瑣，維護(hù)成本較高；需要設(shè)置外接電源，使用不便；造價(jià)高。因此，本工程呼高100 m的兩基跨越直線塔推薦采用攀爬機(jī)的動(dòng)力載人提升裝置。

表5　動(dòng)力載人提升裝置技術(shù)特性對比

表6　動(dòng)力載人提升裝置造價(jià)對比　萬元

5.2休息平臺及步道

為減輕施工、檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高人身安全保障，本次跨越塔設(shè)計(jì)還考慮了附屬設(shè)施。

跨越塔塔身分段裝設(shè)休息平臺，并與斜爬梯轉(zhuǎn)向小平臺和攀爬機(jī)停車位置小平臺緊密相連，方便人員上下；跨越塔橫擔(dān)、通往航空障礙燈處以及連接休息平臺和攀爬機(jī)處均應(yīng)設(shè)置安全走道，寬度為650 mm，兩側(cè)設(shè)置1.2 m高的護(hù)欄，如圖10所示。走道應(yīng)與登塔設(shè)施或休息平臺相連，并能到達(dá)各掛線點(diǎn)和需要維護(hù)設(shè)備的位置。

圖10　橫擔(dān)走道

6　結(jié)語

對±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電線路黃河大跨越鐵塔進(jìn)行選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)采用ZKT直線跨越塔，外形尺寸和間隙圓見圖11。塔頭型式為展翅型，桿塔材料為鋼管塔，塔身截面采用方形截面；最優(yōu)尺寸為頭部開口寬度6.8 m，采用1次變坡，上段坡度0.075，下段坡度0.11；塔身合理設(shè)置隔面，提高塔身抗扭剛度；主材與主材連接及構(gòu)件開斷連接采用剛性法蘭，橫擔(dān)主材與塔身主材的連接以及受力較大的斜材與主材連接采用相貫線焊縫連接，對剛度要求較小的節(jié)點(diǎn)采用插板連接并根據(jù)受力特性合理選擇槽型插板、U型插板或十字型插板。對附屬設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)，人工登塔措施為腳釘及沿塔面的斜爬梯，同時(shí)設(shè)置攀爬機(jī)作為動(dòng)力載人提升裝置；在塔身適當(dāng)位置設(shè)置休息平臺，橫擔(dān)及連接休息平臺和攀爬機(jī)處設(shè)置走道，減輕施工、檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高人身安全保障。

圖11　大跨越塔外形及尺寸

參考文獻(xiàn)

［1］GB 50790—2013±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］DL/T 5504—2015特高壓架空輸電線路大跨越設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［3］DL/T 5254—2010架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［4］韓大剛，黃興，肖兵，等.“皖電東送”工程特高壓鋼管塔設(shè)計(jì)總結(jié)及建議［J］.電力建設(shè)，2013，34（4）：85-90.

［5］李茂華，楊靖波，李正良.輸電線路鋼管塔插板連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，45（4）：495-499.

［6］單軍.鐵塔攀爬機(jī)在大跨越塔上的應(yīng)用研究［J］.宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，28（8）：89-91.

Tower Design of UHV DC Transmission Line Crossing the Yellow River

LIU Hongchang1，LUO Qiang2，YANG Ming3，GU Liangyu1
（1. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2. Economic & Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3. State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:As a key node of the Shanghai-Shandong UHV DC power transmission line，the tower for long span crossing the Yellow River has features of high height，heavy loads，etc. It is necessary to optimize the design of tower in detail，so as to achieve the purpose of safety，reliability，economy and beauty. Compared type of the tower head and structure scheme among towers，the scheme that ZKT straight line crossing tower adopted wings type steel tube tower is recommended. The width，slope，cross sections，and connection joints of the tower are designed in detail. Finally，assistant facilities with high humanization and great economic are proposed.

Key words:long span crossing the Yellow River；tower head type；structure optimization；material；connection；assistant facility

中圖分類號：TM754

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0014－05

收稿日期：2016-04-10

作者簡介：

劉洪昌（1987），男，工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。