輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

摘要：怎樣在符合鐵塔外廓電氣間隙及其鐵塔工程中所使用的條件下，并考慮鐵塔荷載受力狀況的同時(shí)，合理地、最大限度地減少鐵塔各個(gè)部位的尺寸及構(gòu)件，是控制塔型鐵塔重量的關(guān)鍵。文章從導(dǎo)線排列方式、鐵塔頭部外形形式、塔身主材坡度、腹桿布置、塔身斷面型式、橫隔處理等方面闡述了桿塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路。

關(guān)鍵詞：輸電線路；鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；塔頭；塔重；塔身坡度；橫隔 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM862 文章編號：1009-2374（2017）03-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.062

本文針對500kV線路工程所設(shè)計(jì)500SZ直線鐵塔進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。合理選擇鐵塔的桿塔布置形式、鐵塔斷面、主材斷面型式、主材坡度、腹桿布置等，以確保鐵塔的安全可靠。同時(shí)應(yīng)盡可能地對鐵塔進(jìn)行優(yōu)化，以降低工程造價(jià)，保證線路的長期安全運(yùn)行。

1 鐵塔整體結(jié)構(gòu)分析

輸電線路工程中，電氣專業(yè)將鐵塔塔型選定、明確之后，讓鐵塔既滿足電氣要求，又在結(jié)構(gòu)方面安全、可靠的前提下，使得塔重最輕、外型美觀、運(yùn)行維護(hù)方便是鐵塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，鐵塔需在滿足構(gòu)造要求的前提下結(jié)合外荷載特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，使鐵塔各部件受力清晰、傳力直接、節(jié)點(diǎn)處理簡單、布材滿足其受力特點(diǎn)。

2 鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

500SZ直線鐵塔選取氣象條件為典型氣象區(qū)覆冰10mm、30m/s風(fēng)速。該塔型按同塔雙回路設(shè)計(jì)，鐵塔呼高為42.0m，水平檔距500m，垂直檔距650m，導(dǎo)線型號為4×LGJ-400/35（安全系數(shù)為2.5），地線型號為JLB40-150（安全系數(shù)為3）。

2.1 鐵塔塔頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以往常規(guī)500kV雙回路線路中，塔頭形式一般布置為鼓形。該塔頭布置形式較為簡潔，傳力清晰，由于導(dǎo)線采取垂直排列方式，塔頭較高，當(dāng)有跨越要求時(shí)，為滿足電氣對地距離要求，全塔高度較高，導(dǎo)致塔身風(fēng)荷載和上層導(dǎo)地線風(fēng)荷載較大，塔材耗量和基礎(chǔ)作用力均較大。另外一種形式為雙層橫擔(dān)的V串塔型，塔頭為三角形布置方式。兩種塔頭形式的比較如下圖1所示：

鼓型塔：優(yōu)點(diǎn)是鐵塔掛點(diǎn)簡單明確、由上而下受力傳遞清晰，導(dǎo)、地線的垂直荷載、水平荷載經(jīng)塔頭橫擔(dān)上相應(yīng)掛點(diǎn)傳遞到鐵塔的身部，同時(shí)走廊較窄。缺點(diǎn)為導(dǎo)線采用垂直排列，上下相之間的電氣距離要求使得塔頭較高，塔重較重，約34800.0kg。

雙層橫擔(dān)塔：優(yōu)點(diǎn)為導(dǎo)線布置采用三角排列，比常規(guī)塔頭布置減少了一層橫擔(dān)從而有效降低了塔高，導(dǎo)地線風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載降低明顯，塔重較輕，約29700.0kg，而且其基礎(chǔ)作用力較小。缺點(diǎn)是下導(dǎo)線橫擔(dān)較長，構(gòu)造復(fù)雜，且走廊較寬。

通過以上兩種形式的分析，同時(shí)參考已投運(yùn)的工程中的成熟的設(shè)計(jì)成果，上述兩種形式都有各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。鼓塔型塔頭布置較為簡潔，傳力清晰且走廊較窄；V串雙層橫擔(dān)塔，導(dǎo)線采取三角排列方式，能有效降低塔高近10m，塔材較鼓形塔降低約10%，同時(shí)其基礎(chǔ)作用力也減少12%以上，綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯。500kV線路一般對走廊的要求不高且有高跨要求，采用兩層橫擔(dān)的V串塔型對降低工程造價(jià)顯得更有意義。

2.2 鐵塔塔身橫斷面樣式分析

一般來說，高壓輸電線路所用的直線型鐵塔的塔身橫斷面樣式，有長方形（即矩形）和正方形。直線型鐵塔的水平荷載（即垂直于線路方向，平行于橫擔(dān)方向）大于其順線路方向的縱向荷載，故此情況下的鐵塔塔身橫斷面為長方形的樣式是正確的。但其抗縱向荷載能力較差，而方塔抗縱向荷載能力強(qiáng)。因一般500kV電壓等級的線路為主網(wǎng)電源點(diǎn)輸出線路，其安全性、穩(wěn)定性、重要性要求較高，故一般采用正方形橫斷面的鐵塔塔身。

2.3 鐵塔塔身坡度優(yōu)化

對有相同斜材形式的鐵塔身部而言，能夠?qū)ζ渲鞑暮托辈漠a(chǎn)生直接作用的是塔身坡度的變化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口寬度和塔腳根開這三個(gè)獨(dú)立的變量確定的，即為（塔腳根開-塔身瓶口寬度）/塔身高度。當(dāng)塔頭形式和呼高確定后，塔身就是一定值，這時(shí)塔身坡度就由塔身瓶口寬度和塔腳根開來確定。塔腳根開與塔身瓶口寬度的差值越大，塔身坡度越大；塔腳根開與瓶口寬度的差值越小，相應(yīng)的塔身坡度越小。在塔身變坡處寬度一定的情況下，塔身坡度的優(yōu)化實(shí)際上就是鐵塔根開的優(yōu)化，鐵塔根開的大小會(huì)控制塔身主材，進(jìn)而影響整基塔的重量，同時(shí)還會(huì)對基礎(chǔ)作用力的大小產(chǎn)生較大的影響。塔身坡度越小，鐵塔斜材越短。同時(shí)，斜材受力也越小，斜材重量將會(huì)減輕，但鐵塔主材內(nèi)力將加大，主材規(guī)格就越大，根據(jù)計(jì)算，鐵塔主材一般要占整個(gè)塔重的40%左右，主材的大小對塔重的影響最大，因此，坡度越小塔重反而會(huì)增加。反之，塔身坡度越大，根開就越大，塔身主材內(nèi)力就越小，主材規(guī)格就相應(yīng)減小，但此時(shí)，鐵塔斜材長度會(huì)增長，內(nèi)力隨之而增大，斜材規(guī)格將會(huì)急劇增加，斜材基本受長細(xì)比控制，很明顯，也是不經(jīng)濟(jì)合理的。

塔身坡度、鐵塔整體的安全穩(wěn)定以及鐵塔重量，三者是相輔相成的，不斷變化的，需要反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算，找到三者的契合點(diǎn)。其中，塔身瓶口寬度尺寸一般來說可調(diào)節(jié)范圍較小，但是其甚至影響到整個(gè)鐵塔的剛度、塔頭的穩(wěn)定性和全塔的重量。

比較不同塔身坡度對塔重的影響，如圖2所示：

對本文案例500SZ塔型分析，鐵塔的坡度為0.102數(shù)值，此時(shí)鐵塔塔重是最低的，鐵塔鋼材量最輕，該塔型的工程造價(jià)相應(yīng)最低。

2.4 塔身斜材布置優(yōu)化

500kV雙回路直線塔塔身較長，主要受力斜材布材形式的合理與否，不但影響鐵塔本身的受力安全可靠，對鐵塔本身的重量和對應(yīng)工程本體的造價(jià)，也是至關(guān)重要的。

因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中，也需考慮對斜材布材樣式的優(yōu)化。塔身斜材常用的布置型式有“正K型”、“倒K型”、交叉式等布置，以往單一的交叉布置型式容易使斜材產(chǎn)生同時(shí)受壓，幾種方式組合布置可以避免同時(shí)受壓情況的發(fā)生，使斜材受力成為拉壓系統(tǒng)，充分利用拉壓系統(tǒng)的受力特性（拉桿對壓桿的穩(wěn)定計(jì)算起支撐作用），可減小斜材規(guī)格，降低塔重。

斜材布置形式和塔身主材分段長度及輔助材布置型式是密切相關(guān)的，確定受力斜材與主材的夾角可使斜材布置合理，外觀顯得協(xié)調(diào)。夾角大，斜材較平，布置過密，易形成由長細(xì)比控制選材，不能充分發(fā)揮材料性能。而角度過小，內(nèi)力加大，會(huì)加大選材規(guī)格，增加材料長度。結(jié)合以往鐵塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)斜材與水平面的夾角控制在35°～45°之間時(shí)，塔重較輕。當(dāng)然，在初步確定布材以后，需要不斷對斜材的布置進(jìn)行調(diào)整以使設(shè)計(jì)趨于最合理化。

2.5 塔身橫隔面的布置

一般，對于在變坡處，集中荷載受力處等必須設(shè)置受力橫隔面。橫隔面的形式通過以往工程的經(jīng)驗(yàn)積累和不斷優(yōu)化，許多已經(jīng)成為了典型隔面形式。選用合適的形式，優(yōu)化布置鐵塔身部的橫隔面，對于向下傳遞由結(jié)構(gòu)上部外荷產(chǎn)生的扭力、減小塔重、均勻塔身構(gòu)件內(nèi)力、減小塔身扭轉(zhuǎn)效應(yīng)具有一定的作用。

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，需要處理好的關(guān)鍵所在是橫隔面的上、下間距的優(yōu)化布置。

3 結(jié)語

500kV雙回路線路工程所設(shè)計(jì)直線鐵塔塔頭采用雙層橫擔(dān)的V串塔型，有效降低塔高約10m，較傳統(tǒng)的鼓形塔節(jié)省塔材約10%。鐵塔塔身斷面全部采用“正方形”斷面，提高鐵塔的縱向剛度。合理布置塔身斜材形式及橫隔面的間隔。優(yōu)化鐵塔塔身的坡度，在塔重相差不大的前提下，盡量取小坡度，以減小征地范圍，有利于環(huán)境保護(hù)，使鐵塔能夠安全、經(jīng)濟(jì)、可靠，實(shí)現(xiàn)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”。

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作者簡介：朱鴻斌（1975-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，江蘇省送變電海能電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司工程師，研究方向：輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）