輸電塔主材坡度優(yōu)化設(shè)計

趙 勇，明 華

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250000；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250000）

0 引言

輸電塔結(jié)構(gòu)是輸電線路工程中的關(guān)鍵構(gòu)筑物，其總投資占到線路工程全部投資的30%左右，因此對輸電塔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，對于節(jié)約輸電線路工程投資具有重要意義。

輸電塔結(jié)構(gòu)是一種高聳的桁架結(jié)構(gòu)，作用在其上的主要荷載為導(dǎo)地線、覆冰及自身的重力荷載，導(dǎo)線或者拉線的拉力，安裝和檢修的各種荷載，風(fēng)荷載等［1-3］；所有荷載可總結(jié)為沿線路方向的荷載、垂直線路方向的荷載和豎向荷載。沿線路方向的荷載和垂直線路方向的荷載主要對輸電塔整體產(chǎn)生彎曲作用，豎向荷載主要對輸電塔整體產(chǎn)生拉壓作用。由于上述大部分荷載均加于塔頭部位，因此其對輸電塔整體的彎曲效果由塔頭部位向塔腿部位而增大，導(dǎo)致輸電塔4 根主材受力由塔頭部位向塔腿部位增大。同時，在桁架整體彎矩一定時，主材受力大小隨主材間距離的增大而減小。因此，為了充分發(fā)揮主材的材料性能，輸電塔通常采用主材帶有坡度的形式，如何合理選擇主材坡度，是輸電塔優(yōu)化設(shè)計的主要方面。

1 輸電塔優(yōu)化設(shè)計

1.1 典型輸電塔算例簡介

本次計算選取山東地區(qū)典型220 kV 單回路輸電塔2B3-ZM1、2B3-ZM2、2B5-J1、2B5-J4，其結(jié)構(gòu)布置形式如圖1、圖2 所示。2B3-ZM1、2B3-ZM2 兩型為直線貓頭塔，其塔身自貓頭下部開始，塔身全塔高度只有一個坡度；2B5-J1、2B5-J4 兩型為干字形耐張塔，其塔身部分坡度要大于塔頭部分坡度，坡度改變點自橫擔(dān)以下兩個節(jié)間開始。由于塔頭部分尺寸主要由電氣間隙控制，因此為減少變量便于比較，本次計算對2B5-J1、2B5-J4 兩型干字形耐張塔僅將塔身部分坡度作為變量。

圖1 2B3-ZM1、2B3-ZM2 示意圖

圖2 2B5-J1、2B5-J4 示意圖

導(dǎo)地線型號、使用檔距和設(shè)計氣象條件等設(shè)計條件對輸電塔荷載及結(jié)構(gòu)設(shè)計具有決定性意義。上述四型輸電塔設(shè)計條件如表1 所示。

其中設(shè)計用導(dǎo)線安全系數(shù)取2.5，平均運行張力取保證拉斷力的25%；地線安全系數(shù)取4.5，平均運行張力取保證拉斷力的25%。

表1 設(shè)計條件

1.2 建模計算

本次建模計算采用鐵塔滿應(yīng)力計算軟件SmartTower。根據(jù)工程經(jīng)驗，對直線塔其塔身坡度取值為0.05～0.15，間隔0.005；對耐張塔，塔身坡度取值為0.08～0.2，間隔0.005。計算時，固定塔身上口寬度，通過調(diào)整鐵塔根開實現(xiàn)塔身不同坡度的變化。

根據(jù)工程經(jīng)驗預(yù)估并考慮塔身高度劃分和結(jié)構(gòu)模數(shù)，主材分段上部取為1.2～1.3 m，下部為1.5 m。

最終，模型如圖3、圖4 所示。

圖3 直線塔模型示意圖

為了充分研究塔身坡度變化對塔重指標(biāo)的影響，本次計算不對塔身桿件進行統(tǒng)材。

圖4 耐張塔模型示意圖

2 算例分析

2.1 計算結(jié)果分析

以計算塔重為研究對象，得出計算結(jié)果，受力材重量隨主材坡度值的變化如圖5、圖6 所示。

圖5 直線塔

圖6 耐張塔

由圖5、圖6 可以看出，主材坡度值的變化對塔重指標(biāo)具有很大影響，且對于受力更大的2B3-ZM2塔和2B5-J4 塔的影響要大于受力更小的2B3-ZM1塔和2B5-J1 塔。

四型塔主材重量均隨著計算范圍內(nèi)主材坡度值的變化而呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。主要原因在于在主材坡度較小時，下部主材受力大，主材選材規(guī)格大，造成塔重較大；隨著主材坡度的增大，主材內(nèi)力值下降，主材選材規(guī)格下降，同時因斜材長度的增加而增加重量小于主材規(guī)格下降而降低的塔重，兩者共同導(dǎo)致受力材總重量下降； 隨著坡度值繼續(xù)增大，主材規(guī)格繼續(xù)下降，但是斜材規(guī)格開始變?yōu)橛砷L細(xì)比控制，下降幅度有限，此時因斜材長度的增加而增加的重量開始超過主材規(guī)格下降而降低的塔重，總塔重開始呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 最優(yōu)坡度

根據(jù)計算結(jié)果，在荷載一定的情況下，以塔重作為考核指標(biāo)，各型塔存在著一個最優(yōu)的主材坡度值，如表2 所示。

表2 各型塔最優(yōu)坡度

由表2 可以看出，直線塔的最優(yōu)坡度遠(yuǎn)小于耐張塔的最優(yōu)坡度，且隨著荷載的增大，最優(yōu)坡度值增大。根據(jù)本算例計算結(jié)果推論，可推測相同導(dǎo)地線型號、設(shè)計氣象條件的相同系列塔最優(yōu)化坡度如表3所示。

表3 最優(yōu)坡度建議值

3 關(guān)于新規(guī)范的探討

文獻［1］（以下簡稱《鋼標(biāo)》）已于2018年7月1日開始實施。《鋼標(biāo)》 在 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）（以下簡稱《鋼規(guī)》）的基礎(chǔ)上有較大幅度的調(diào)整。其中《鋼標(biāo)》7.5.3 條規(guī)定：塔架主桿與主斜桿之間的輔助桿應(yīng)能承受下列公式給出的支撐力。

當(dāng)節(jié)間數(shù)不超過4 時，

當(dāng)節(jié)間數(shù)大于4 時，

式中：N 為主桿壓力設(shè)計值。

而目前電力行業(yè)現(xiàn)行的文獻［2］中5.1.7 規(guī)定：桿塔輔助材在其支撐點所提供的支撐力一般不低于所支撐主材內(nèi)力的2%、斜材內(nèi)力的5%。

對比兩本規(guī)范可見，《鋼標(biāo)》 對桿塔輔助材的支撐強度要求要遠(yuǎn)弱于《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的要求。在目前《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》設(shè)計原則下，對于220 kV 桿塔設(shè)計輔助材絕大多數(shù)為電力工程所采用的最小角鋼規(guī)格L40×3，因此在概念上，按照《鋼標(biāo)》設(shè)計的輸電塔即使主材內(nèi)力增大較多其支撐的輔助材規(guī)格也不會增大過多。因此，按照《鋼標(biāo)》設(shè)計的輸電塔其塔重對主材坡度的敏感性將會下降。

新《鋼標(biāo)》7.6.1 規(guī)定：當(dāng)受壓斜桿用節(jié)點板和桁架弦桿相連接時，節(jié)點板厚度不宜小于斜桿肢寬的1／8。

目前電力行業(yè)設(shè)計輸電塔時常用的做法為文獻［3］中8.5.3 規(guī)定：節(jié)點板厚度應(yīng)等于或大于斜材或橫材肢厚。

常用角鋼的厚度一般均小于肢寬的1／8，因此，新《鋼標(biāo)》增大了節(jié)點板的厚度，更加體現(xiàn)了“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述討論，本文的主要結(jié)論如下：

1）主材坡度的變化對輸電塔設(shè)計的塔重指標(biāo)有明顯影響。

2）桿塔荷載越大，主材坡度對塔重影響越明顯。

3）直線塔的塔身最優(yōu)坡度在0.07～0.09 之間，耐張塔的塔身最優(yōu)坡度在0.09～0.11 之間。

輸電塔設(shè)計的相關(guān)規(guī)范正在大規(guī)模更新階段，《鋼標(biāo)》等相關(guān)規(guī)范的更新對輸電塔設(shè)計經(jīng)驗和實務(wù)影響很大。相關(guān)配套規(guī)范進入實施階段后，需進一步研究新設(shè)計規(guī)范指導(dǎo)下輸電塔設(shè)計計算和構(gòu)造的變化。