我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展

張文瀚 楊國(guó)峰 張帥

摘 要：特高壓電網(wǎng)的建設(shè)、輸電新技術(shù)的推廣應(yīng)用給輸電線路桿塔的研究提出許多新的課題，安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理是桿塔結(jié)構(gòu)研究的主要目標(biāo)和方向。文章介紹了我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)近年來在荷載取值、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)致振動(dòng)（塔線耦合振動(dòng)和鋼管塔微風(fēng)振動(dòng)）以及新材料應(yīng)用（高強(qiáng)鋼、鋼管、耐候鋼和冷彎型鋼）等方面的研究進(jìn)展以及工程應(yīng)用情況。并根據(jù)研究現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，提出我國(guó)桿塔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)理論和方法、承載性能試驗(yàn)以及新材料應(yīng)用、新塔型等方面需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：輸電線路 桿塔 進(jìn)展

0.引言

輸電線路桿塔是支承架空輸電線路導(dǎo)線和地線并使它們之間以及與大地之間保持一定距離的桿形和塔形的構(gòu)筑物，其安全可靠性直接關(guān)系到整個(gè)輸電線路的安全運(yùn)行。在架空輸電線路工程中，桿塔建設(shè)費(fèi)用約占本體投資的30%甚至以上，直接決定著線路的經(jīng)濟(jì)性。隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的建設(shè)以及同塔多回線路、緊湊型線路、大截面導(dǎo)線等輸電新技術(shù)的推廣應(yīng)用，輸電線路電桿塔大荷載、大型化的趨勢(shì)愈發(fā)明顯?！百Y源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)的建設(shè)、大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、氣候變化復(fù)雜異常對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性能等都提出了更高的要求，輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究面臨新的挑戰(zhàn)。

本文對(duì)我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)在荷載取值、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料應(yīng)用、抗風(fēng)設(shè)計(jì)等方面的研究進(jìn)展加以介紹，并且根據(jù)研究現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，提出研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)的內(nèi)容。

1.輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容

1.1 桿塔荷載

對(duì)桿塔荷載的研究，主要研究結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、風(fēng)荷載重現(xiàn)期、最小設(shè)計(jì)風(fēng)速等的取值和桿塔的靜力和動(dòng)力風(fēng)荷載計(jì)算方法以及桿塔荷載的組合和取值原則。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)和風(fēng)荷載重現(xiàn)期，主要基于對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的分析來確定；風(fēng)振系數(shù)主要針對(duì)高塔來進(jìn)行；荷載組合主要研究導(dǎo)線的斷線原則、張力取值以及與風(fēng)、冰荷載的組合條件。這些外荷載取值的研究，目的是掌握桿塔外部荷載更為合理的作用和變化規(guī)律，為桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供較為客觀的依據(jù)。

1.2桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究，一方面是研究桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算力學(xué)模型、桿件承載力計(jì)算方法、桿端節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)計(jì)算方法等；另一方面是研究桿件選型、塔頭型式、塔腿型式、坡度、根開以及塔身斷面、塔身斜材、橫隔面等的布置與優(yōu)化方法。目前，鐵塔一般按照理想鉸接的整體空間桁架來設(shè)計(jì)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的約束為理想鉸接，將整個(gè)塔架作為超靜定空間體系，根據(jù)平衡條件和變形協(xié)調(diào)關(guān)系求解塔架的內(nèi)力和變形，再根據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性條件完成鐵塔設(shè)計(jì)的選材工作。我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法1994 年以前一直沿用前蘇聯(lián)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法（單一安全系數(shù)法），1999 年改為以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式。

2.我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展

2.1桿塔可靠度及荷載取值研究

（1）特高壓桿塔可靠度分析 。結(jié)構(gòu)可靠度是對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。在特高壓輸電線路目前還缺乏運(yùn)行、失效等統(tǒng)計(jì)資料的情況下，確定特高壓桿塔的可靠度可以借鑒現(xiàn)有的 500kV線路的可靠度，并使特高壓桿塔結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)與500kV線路的相協(xié)調(diào)。調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析表明，我國(guó) 500kV線路桿塔結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)β≥3.2，基本滿足《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》安全等級(jí)為二級(jí)的延性構(gòu)件目標(biāo)可靠度的要求。特高壓輸電線路輸送容量是 500kV線路的 5倍左右，且多用于跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)架，其可靠度應(yīng)比 500kV線路高一個(gè)等級(jí)。按建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，特別重要的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)應(yīng)屬一級(jí)，特高壓輸電線路歸于一級(jí)較為合理，其延性破壞構(gòu)件的可靠度指標(biāo)不應(yīng)小于 3.7。因此，對(duì)同類結(jié)構(gòu) 500kV線路實(shí)際可靠度的校準(zhǔn)及對(duì)特高壓線路重要性的分析得出，特高壓桿塔結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度不宜低于 3.7。

（2）特高壓桿塔的荷載取值。結(jié)構(gòu)的失效狀態(tài)與外部作用直接相關(guān)，輸電線路桿塔主要承受的外部作用是風(fēng)荷載，因而結(jié)構(gòu)可靠度與風(fēng)荷載直接相關(guān)。按照特高壓線路桿塔構(gòu)件目標(biāo)可靠度不應(yīng)小于3.7 的要求，可推算確定桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)宜取 1.1，風(fēng)荷載重現(xiàn)期宜為100年。

2.2 桿塔風(fēng)振研究

架空線路是由多跨導(dǎo)線與多座桿塔、基礎(chǔ)以及附屬連接件等組成的連續(xù)、耦合的空間體系結(jié)構(gòu)。在目前的線路設(shè)計(jì)中，通常將各組成部分作為彼此獨(dú)立的對(duì)象分別進(jìn)行受力分析，不考慮桿塔與導(dǎo)線振動(dòng)的相互影響。但對(duì)于大跨越、特高壓和一些同塔多回線路，桿塔與導(dǎo)線之間的振動(dòng)相互作用明顯增強(qiáng)，需要在線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行中考慮這一耦合振動(dòng)。利用一塔兩線模型分析得到的系統(tǒng)動(dòng)力特性，與三塔兩線等其它更為復(fù)雜的模型得到的結(jié)論基本一致。導(dǎo)線的邊界約束條件對(duì)其振動(dòng)特性的影響也不顯著。

2.3 鋼管在輸電鐵塔上的應(yīng)用研究

圓截面鋼管的空氣動(dòng)力學(xué)性能好，受力各向同性，截面抗彎剛度大。輸電鐵塔采用鋼管構(gòu)件，不但可以減小塔身風(fēng)載荷，還能充分均衡地發(fā)揮材料的性能，減小桿件長(zhǎng)度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)幾何尺寸較大、桿件較長(zhǎng)的大型鐵塔，這種優(yōu)越性更為明顯。在受拉桿件中采用的鋼管截面與角鋼截面相等，此時(shí)鋼管不顯現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，主要是由于用鋼量相等而鋼管造價(jià)高。但在壓彎構(gòu)件中，在同時(shí)滿足穩(wěn)定的條件下，鋼管的截面要比角鋼省35%左右，而且在承受風(fēng)荷載時(shí)，鋼管的體型系數(shù)僅為相應(yīng)角鋼體型系數(shù)的0.6～0.8倍，且擋風(fēng)面積較角鋼小 20 %～ 40 %。在滿足相同強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定要求時(shí)，當(dāng)鋼管塔呼稱高度超過30m 時(shí)，其造價(jià)就低于角鋼塔，而且隨著塔高的增加優(yōu)勢(shì)愈加明顯。根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)，在一定塔身坡度時(shí)，當(dāng)鋼管塔相對(duì)于角鋼塔的重量減小超過 20%時(shí)，鋼管塔比角鋼塔造價(jià)低。對(duì)于那些四拼角鋼也不能滿足承載力要求的桿塔或者是跨越高塔，以及走廊狹窄或有景觀要求的地區(qū)（城市及周邊、風(fēng)景保護(hù)區(qū)等），適宜采用鋼管塔。

3.我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的未來研究方向

3.1設(shè)計(jì)理論體系

總體來看，我國(guó)輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論較為傳統(tǒng)，需要適應(yīng)發(fā)展需求，形成完善的更為先進(jìn)的理論體系。常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是以線彈性結(jié)構(gòu)分析理論為基礎(chǔ)的，如何將結(jié)構(gòu)分析的非線性理論、桁架結(jié)構(gòu)極限設(shè)計(jì)的理論和方法等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法應(yīng)用到輸電鐵塔設(shè)計(jì)中，需要研究。在加工誤差、初位移、初應(yīng)力對(duì)桿件承載力的影響等方面，還缺乏深入研究和明確結(jié)論。需要繼續(xù)研究導(dǎo)線與桿塔、桿塔與基礎(chǔ)的相互作用，并在此基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)線、桿塔以及基礎(chǔ)的一體化設(shè)計(jì)方法。

3.2荷載取值

桿塔荷載的取值，目前偏重于與靜力風(fēng)荷載有關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的研究。對(duì)于動(dòng)力風(fēng)荷載的取值，還缺乏較為深入和系統(tǒng)的研究。對(duì)冰荷載的取值，由于線路地形復(fù)雜、幅員遼闊以及可供利用的氣象資料較少，目前大多根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)來確定，尤其是微地形、微氣象區(qū)域的冰荷載的取值，研究工作偏弱。對(duì)風(fēng)、冰荷載組合以及與斷線工況組合的取值，也需要加強(qiáng)研究。

結(jié)束語(yǔ)：

新的發(fā)展趨勢(shì)和新的發(fā)展要求對(duì)以往的桿塔設(shè)計(jì)方案和思想都提出了新的挑戰(zhàn)，要求在桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面必須尋求新的突破。這些都要求我們要不斷加強(qiáng)桿塔結(jié)構(gòu)的研究工作，為保障線路的安全可靠運(yùn)行不斷提供堅(jiān)強(qiáng)支撐。

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