窄基塔高度根開比優(yōu)化的研究

聶磊

國網(wǎng)江西上饒供電分公司饒電設(shè)計(jì)院 江西上饒 334000

1 窄基塔概述

窄基塔根開優(yōu)化是啟發(fā)式優(yōu)化方法中的一種常用的優(yōu)化方法,它亦屬于形狀優(yōu)化的范疇。根開的優(yōu)化是在簡要力學(xué)的基礎(chǔ)上,從分析塔身坡度與各約束條件的關(guān)系入手,尋求最小根開的方法。窄基塔屬于大型的空間桁架結(jié)構(gòu),近年來在電力輸送方面得到了廣泛的應(yīng)用。在理論分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程的實(shí)際情況,國家頒布了《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DL/T5154-2002)》要保證結(jié)構(gòu)的可靠性,設(shè)計(jì)過程中必須嚴(yán)格按照規(guī)范的要求,滿足強(qiáng)度、撓度穩(wěn)定性等約束條件。圖1所示的是一座同塔四回直線輸電塔。

圖1 塔體簡圖

2 窄基塔優(yōu)化方法

2.1 工程概況

選擇江西省某220kV輸電線路中窄基直線塔型進(jìn)行優(yōu)化。塔體按同塔四回路塔型設(shè)計(jì)，如圖1所示，塔頭形式采用干字型，塔身用鋼管作為塔體主材，斜材及輔材采用等邊角鋼，設(shè)計(jì)氣象條件為江西。選用的導(dǎo)線為（JL/GIA-630/45）鋼芯鋁絞線，安全系數(shù)k=2.5，地線選用鋼絞線JLB30-150，安全系數(shù)k=3。塔體的荷載按照《110kV-750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）的要求進(jìn)行計(jì)算，并按規(guī)范進(jìn)行工況組合。塔體高71.4m，根開為6.04m，高度根開比為11.82。

2.2 窄基塔優(yōu)化和靜定化假設(shè)

滿應(yīng)力準(zhǔn)則指出：結(jié)構(gòu)在多工況作用下，各桿件中的應(yīng)力達(dá)到飽滿時(shí)結(jié)構(gòu)的重量最輕。在超靜定結(jié)構(gòu)中，內(nèi)力與構(gòu)件截面有著密切的關(guān)系,若截面仍按內(nèi)力根據(jù)應(yīng)力飽滿的原則修改,則單元面積的改變將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力原來達(dá)到的飽滿狀態(tài)的部分也超限,由于截面的取值已經(jīng)確定,所以可以假定此時(shí)的內(nèi)力如靜定結(jié)構(gòu)中內(nèi)力一樣不發(fā)生變化,再按照滿應(yīng)力準(zhǔn)則修改截面,將修改的截面作為新的參數(shù)重新計(jì)算內(nèi)力,這樣循環(huán)著迭代下去,直到截面收斂于最優(yōu)值為止[1]。滿應(yīng)力準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)流程見圖2。

2.3 優(yōu)化方法

送電鐵塔設(shè)計(jì)軟件中通常應(yīng)用的是滿應(yīng)力準(zhǔn)則法，較少考慮多工況、多約束情況，主要對(duì)截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，更高層次的形狀優(yōu)化尚處于探索階段。目前,有采用引進(jìn)廣義變量近似的方法對(duì)送電鐵塔形狀優(yōu)化，方法可行，但實(shí)際運(yùn)用比較困難。本文研究的窄基塔優(yōu)化是基于滿應(yīng)力準(zhǔn)則，從合理確定塔腿坡度對(duì)鐵塔進(jìn)行整體優(yōu)化，塔頭部分不作變化。塔體在強(qiáng)度和穩(wěn)定上通常有較大富裕，優(yōu)化以撓度為主要控制條件，建立強(qiáng)度控制的簡化計(jì)算公式，輔助以強(qiáng)度驗(yàn)算，方法相對(duì)簡單，具有較好可操作性。

圖2 滿應(yīng)力準(zhǔn)則優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

（1）撓度控制。塔體的撓度計(jì)算運(yùn)用ANSYS有限元軟件來實(shí)現(xiàn)。ANSYS有限元模型的建立采用命令流方式，將塔體根開設(shè)為一變量d，對(duì)根開賦值，為不同根開的塔體建模提供了方便；塔體主材為鋼管，選用pipe16單元；斜材及輔材為角鋼，按截面面積和回轉(zhuǎn)半徑相等的原則對(duì)其轉(zhuǎn)換后，再采用pipe16單元建模。根據(jù)《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》：對(duì)直線型自立式鐵塔，在荷載的長期效應(yīng)組合作用下，桿塔的計(jì)算撓曲度不應(yīng)超過3h/1000，其中，h為自地面起至計(jì)算點(diǎn)處高度。

（2）強(qiáng)度控制。輸電塔塔身受力主要受風(fēng)荷載與導(dǎo)地線施工或斷線時(shí)產(chǎn)生的橫向荷載控制，輸電塔的兩側(cè)弦桿軸力以及腹桿與根開的乘積構(gòu)成力偶用于抵抗這些橫向荷載形成的彎矩。計(jì)算單元簡圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算單元簡圖

通過平面幾何關(guān)系可得：

將h1帶入可得主材應(yīng)力與坡度的關(guān)系式為：

強(qiáng)度約束條件為：σ≥f

（3）窄基塔優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)程序框圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)程序框圖

3 結(jié)語

以滿應(yīng)力準(zhǔn)則，以窄基塔撓度為主要控制條件，輔助以強(qiáng)度驗(yàn)算，從合理確定塔腿坡度為入手，建立了塔窄基塔高度根開比優(yōu)化方法。結(jié)合武漢市木蘭變-王家墩變220kV輸電線路工程進(jìn)行了優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明，優(yōu)化方法相對(duì)簡單，具有較好的可操作性。通過合理控制塔窄基塔高度根開比，對(duì)窄基塔塔身進(jìn)行優(yōu)化，鋼材用量雖略有增加，但用地減少效果明顯。綜合分析表明，所提出優(yōu)化方法安全可行，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。