沿?？古_(tái)風(fēng)大跨越桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭存波

（溫州電力設(shè)計(jì)有限公司，浙江 溫州 325000）

電力工程建設(shè)時(shí)，桿塔會(huì)直接影響輸電線路的穩(wěn)定性及安全性，因而要十分重視桿塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要想保證桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備科學(xué)性及合理性，不僅要充分考慮建設(shè)地區(qū)的地形情況，還需要注重其天氣狀況，尤其是沿海地區(qū)，臺(tái)風(fēng)天氣多發(fā)，桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更是要提升其抗臺(tái)風(fēng)的能力，以保證建成后的輸電線路能夠在臺(tái)風(fēng)天氣中平穩(wěn)運(yùn)行。

1 臺(tái)風(fēng)對沿海地區(qū)大跨越桿塔的影響

我國沿海地區(qū)多海島，架設(shè)輸電線路過程中，部分輸電線路會(huì)經(jīng)過多個(gè)獨(dú)立島嶼，此種狀況下，海纜方式并不適合采用，原因是其用電可靠性及經(jīng)濟(jì)性均比較差，應(yīng)采用大跨越架空線路的方式，即輸電線路由大跨越桿塔支撐。大跨越桿塔使用期間，風(fēng)災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害等災(zāi)害的發(fā)生均會(huì)對其產(chǎn)生一定的影響，如地質(zhì)災(zāi)害，可能會(huì)損害桿塔基礎(chǔ)，或造成桿塔傾斜、倒桿等，進(jìn)而影響輸電線路的運(yùn)行，甚至造成大面積的停電事故。眾所周知，在沿海地區(qū)較易發(fā)生臺(tái)風(fēng)天氣，一旦發(fā)生后，如果桿塔承受的水平風(fēng)荷載超出最初的設(shè)計(jì)極限，橫傾問題會(huì)出現(xiàn)；沿線路方向上，不平衡力產(chǎn)生，導(dǎo)致桿塔縱傾；上拔或下沉塔基。桿塔發(fā)生傾斜、倒桿、斷桿之后，可造成斷線，使輸電線路無法運(yùn)行，中斷供電。例如“桑美”，是2006年發(fā)生的第8號(hào)臺(tái)風(fēng)，于8月10日下午5點(diǎn)在浙江蒼南登錄，中心最大風(fēng)力17級，最大風(fēng)速達(dá)到60米/秒，登錄后嚴(yán)重的破壞了溫州220kV桿塔，桿塔傾倒、桿頭變形、橫擔(dān)彎曲等均為此臺(tái)風(fēng)造成的具體破壞形態(tài)，共破壞35基，使當(dāng)?shù)氐墓╇娛艿綐O大的影響。

2 沿?？古_(tái)風(fēng)大跨越桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

2.1 科學(xué)選擇鐵塔材料

以往，大跨越鐵塔使用的材料為Q235、Q345鋼材，其具有良好的穩(wěn)定性及較低的離散度，不過屈服點(diǎn)并不高。相比于國外先進(jìn)國家，我國輸電鐵塔所采用的鋼材還存在一些缺點(diǎn)，如材質(zhì)單一、材質(zhì)可選擇范圍窄、強(qiáng)度值偏低等。隨著不斷的增加輸電線路鐵塔荷載，必須要利用高強(qiáng)鋼材減少鐵塔的耗鋼。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)鋼材應(yīng)用后，能夠減少部分主材肢厚，使鋼材強(qiáng)度得到充分利用，同時(shí)，組合截面使用減少，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡化，更加合理的傳遞結(jié)構(gòu)荷載，增強(qiáng)輸電鐵塔的可靠性、安全性及經(jīng)濟(jì)性?；谏鲜龇治觯疚倪x擇Q420或Q460高強(qiáng)度角鋼作為鐵塔材料。以長1500mm，L160×16角鋼，中心受壓主材為例，計(jì)算Q345、Q420、Q460的承載力，結(jié)果顯示，Q420、Q460的承載力分別為1466.1kN、1566.8kN，均高于Q345的1244.6kN；再以上述三個(gè)強(qiáng)度等級鋼材作為主材，計(jì)算塔重，結(jié)果顯示，與Q345鋼材相比，Q420與Q460均降低了計(jì)算塔重。這說明，Q420與Q460均能節(jié)省材料重量。在輸電桿塔中，如果高強(qiáng)鋼所占的平均重量為35%左右，將10%左右的原料價(jià)格差價(jià)去除后，保守估計(jì)，Q420與Q460均能節(jié)省造價(jià)，前者節(jié)省2%～6%，后者節(jié)省2%～8%。另外，Q420現(xiàn)已形成完成的生產(chǎn)供貨及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，而Q460尚在進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，部分問題還存在于生產(chǎn)供貨及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系中，由此一來，必然會(huì)一定程度的提升造價(jià)。同時(shí)，Q460較高的要求鋼材質(zhì)量等級，并具備明顯優(yōu)于Q420的經(jīng)濟(jì)性。因此，本文最終選擇Q420高強(qiáng)角鋼作為輸電鐵塔的主材，高強(qiáng)鋼連接高強(qiáng)鋼時(shí)，利用8.8級螺栓，而高強(qiáng)鋼連接其他鋼材則利用8.8級螺栓或6.8級螺栓。

2.2 采用高強(qiáng)度螺栓

輸電角鋼鐵塔結(jié)構(gòu)中，主要采用螺栓連接，且連接時(shí)采用的螺栓多為普通螺栓。普通螺栓連接方式便于施工及拆卸，但會(huì)使用較多的鋼量。應(yīng)用高強(qiáng)度螺栓后，構(gòu)件端頭連接螺栓數(shù)量能夠有效減少，且連接板尺寸也可減小，使塔重降低。鍍鋅粗制螺栓為我國目前常用的螺栓類型，其包含4.8級、6.8級、8.8級4類，使用4.8級時(shí)，無論角鋼級別為何種，控制均由螺桿實(shí)現(xiàn)；使用6.8級時(shí)，角鋼級別為Q420、Q460情況下，控制由螺桿實(shí)現(xiàn)；使用8.8級時(shí)，無論角鋼級別為何種，控制均由構(gòu)件孔壁承壓或螺栓抗剪承載力實(shí)現(xiàn)。這說明，高強(qiáng)鋼應(yīng)用過程中，不僅要考慮螺栓的抗剪切強(qiáng)度，還需對鋼材孔壁承壓問題格外注意。高強(qiáng)鋼構(gòu)件與低級別螺栓組合時(shí)，角鋼或鋼板對螺栓的螺桿承壓驗(yàn)算需特別注意。因螺旋存在不同級別，對比各級別的孔壁承壓及螺栓抗剪力后，得出以下四方面的結(jié)論。

第一，鋼構(gòu)件應(yīng)用Q235鋼時(shí)，角鋼肢厚較小情況下，孔壁承壓力均小于單剪承載力，根據(jù)孔壁承壓力控制螺栓個(gè)數(shù)的確定，此時(shí)，不管采用哪個(gè)級別的螺栓，均能獲得相同的效果，可選4.8級，因其具有最低的價(jià)格，而6.8級便于施工；第二，鋼構(gòu)件應(yīng)用Q345時(shí)，由于其具有較高的強(qiáng)度，角鋼通常會(huì)大于L90×7，考慮受力角度情況下，至少應(yīng)使用M20級別螺栓，此時(shí)，已經(jīng)不適合采用4.8級，應(yīng)使用6.8級以上；第三，鋼構(gòu)件應(yīng)用Q420時(shí)，螺栓采用規(guī)律基本相同于Q345；第四，對比6.8級和8.8級螺栓強(qiáng)度比值發(fā)現(xiàn)，8.8級螺栓可減少20%螺栓數(shù)量，縮小10%節(jié)點(diǎn)板，即減輕10%的板重量，10.9級螺栓能夠會(huì)更多的節(jié)省，但其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏，不建議使用?；谏鲜鰧Ρ冉Y(jié)果，本文最終確定高強(qiáng)度螺栓選用M16 6.8級、M20 6.8級、M24 8.8級。

2.3 優(yōu)化桿塔結(jié)構(gòu)布置

（1）優(yōu)化橫擔(dān)布置：鐵塔橫擔(dān)布置設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)方案通常有兩種，第一種為抽空橫擔(dān)上平面端部的交叉斜材，第二種為抽空橫擔(dān)上平面根部的交叉斜材。有限元軟件ANSYS基礎(chǔ)上，建立橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的空間桁架模型及空間鋼架模型，同時(shí)，考慮橫擔(dān)結(jié)構(gòu)承載力受到的非線性影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，如果橫擔(dān)結(jié)構(gòu)僅承載豎向荷載，上平面交叉斜材布置形式并不會(huì)較大的影響結(jié)構(gòu)整體承載力，適合采用第一種布置形式。但若豎向及水平荷載同時(shí)承載，獲得較好效果的仍為第一種布置形式?；诖?，本文采取的橫擔(dān)布置方式為抽空上平面端部的交叉斜材，同時(shí)，設(shè)計(jì)根據(jù)受力構(gòu)件進(jìn)行，以提升結(jié)構(gòu)的承載力。

（2）優(yōu)化開口及根開：鐵塔整體重量及剛度均會(huì)直接受到塔身上下口寬度的影響，口寬越大，塔頭剛度越大，可減小塔頭位移及變性，并減小頭部塔身主材內(nèi)力，降低塔重，因此，鐵塔整體剛度能夠保證前提下，口寬要盡量減小。本文在優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)了不同的變坡口寬，并利用道亨軟件將塔重計(jì)算出來，結(jié)果見圖1。根據(jù)圖1可知，變坡口寬4.3m為最佳的寬度，0.10～0.105為最佳的塔身坡度。綜合考慮后，本文選擇塔身坡度0.105，變坡口寬4.4m。

圖1 不同變坡口寬與塔重的關(guān)系

（3）優(yōu)化塔身斜材的布置：交叉式、正K式、倒K式等為常用的布置塔身傾斜方式，布置形式采用單一方式情況下，同時(shí)受壓易發(fā)生在斜材中，組合幾種方式后，此種情況能夠避免，促進(jìn)塔重降低。無論傾斜布置方式為何種，均需要密切注意斜材與水平面的夾角α，α大小與斜材受力大小直接相關(guān)，二者成正比。本文結(jié)合沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)天氣情況及地形后，設(shè)計(jì)α的取值范圍處于35°～45°之間。

（4）優(yōu)化橫隔面設(shè)置：橫隔面設(shè)置在塔身坡度不變段內(nèi)時(shí)，通常，其間距要在平均寬度5倍以內(nèi)，且要小于4個(gè)主材分段。設(shè)置橫隔面過程中，可選位置有三處，一是與斜材交叉點(diǎn)垂直相交的位置，二是斜材交叉下方且橫隔面下為斜材交叉頂點(diǎn)，三是兩組交叉斜材的橫中線，綜合考慮塔重、剛度等因素后，本文選擇前兩處位置設(shè)置橫隔面。

（5）確定構(gòu)件計(jì)算長度：具有一定外荷載情況下，能夠適當(dāng)?shù)拇_定構(gòu)件計(jì)算長度會(huì)對塔重產(chǎn)生直接影響，并對其截面選擇產(chǎn)生重要影響。構(gòu)件強(qiáng)度與穩(wěn)定相當(dāng)時(shí)，構(gòu)件的計(jì)算長度即為最佳計(jì)算長度，軸心受壓，主材實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的難度比較低，但斜材偏心受力，實(shí)現(xiàn)難度比較大。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鐵塔總重量中，主材重量約占40%，交叉斜材約占30%，輔助材、板釘及螺栓約占30%。由該比重可以看出，鐵塔主材主要影響鐵塔重量。以高強(qiáng)鋼Q420作為主材時(shí)，單角鋼情況下，肢寬140～160時(shí)，最佳計(jì)算長度1.2～1.25m，肢寬180～200時(shí)，最佳計(jì)算長度1.45～1.5m；四拼角鋼情況下，肢寬160～180時(shí)，最佳計(jì)算長度2.5m，肢寬200時(shí)，最佳計(jì)算長度3.0m。

2.4 桿塔節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化

遵循相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)情況下，本文還采取了以下優(yōu)化措施，對桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出進(jìn)一步的優(yōu)化。第一，直線塔塔頭形式、塔身結(jié)構(gòu)形式布置時(shí)，盡量利用雙面連接方式連接主材，促進(jìn)承載力提高；第二，節(jié)點(diǎn)板連接設(shè)計(jì)中，主材與斜材可采用非標(biāo)準(zhǔn)螺栓準(zhǔn)線，使斜材盡量以直接的方式向主材伸入，提升節(jié)點(diǎn)的合理性及緊湊性，節(jié)點(diǎn)剛度有效保證前提下，節(jié)點(diǎn)連接板尺寸盡量減少，構(gòu)造要求滿足基礎(chǔ)上，螺栓準(zhǔn)線在角鋼上布置多條，促進(jìn)構(gòu)件偏心值降低。桿件端部剛度提高；第三，主材采取雙排準(zhǔn)線時(shí)，可在其外排準(zhǔn)線上連接輔助材，使連接間隙改善的同時(shí)，促進(jìn)塔重減輕；第四，因主材及斜材夾角會(huì)影響主材扣孔，主材連接斜材時(shí)，盡量直接伸入，主材凈截面保證后，連接板不用或少用；第五，桿件雙面連接時(shí)，布置避免對孔進(jìn)行，促進(jìn)其斷面損失減??；第六，緊湊實(shí)施節(jié)點(diǎn)連接，并減小節(jié)點(diǎn)板面積。

3 結(jié)語

沿海地區(qū)采用大跨越桿塔架設(shè)輸電線路時(shí)，要結(jié)合沿海地區(qū)的地理特點(diǎn)設(shè)計(jì)桿塔結(jié)構(gòu)，并保證桿塔結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗臺(tái)風(fēng)能力，同時(shí)，還要使塔重盡量減小、便于施工，本文優(yōu)化之后的桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的合理性，適合在沿海地區(qū)推廣。

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