淺談?shì)旊娋€路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王飛 王軍 張濤

摘要：架空輸電線路桿塔在整個(gè)電網(wǎng)線路中都占據(jù)著非常重要的地位，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，對(duì)電網(wǎng)線路是否能夠正常、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行具有重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)正在逐步推廣和發(fā)展特高壓電網(wǎng)建設(shè)新技術(shù)，這也給架空輸電線路桿的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的研究方向。本研究從桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合工作實(shí)際，對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了探討和研究，并簡(jiǎn)要介紹了線路桿塔結(jié)構(gòu)研究的主要方向。

關(guān)鍵詞：輸電線路;桿塔型;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1桿塔設(shè)計(jì)目前面臨的主要問(wèn)題

1.1桿塔結(jié)構(gòu)形式的選擇問(wèn)題

在對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，一方面是研究桿塔的結(jié)構(gòu)與承載力的關(guān)系，如桿件強(qiáng)度的運(yùn)算方法，桿端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)運(yùn)算方法等;另一方面是研究桿塔的模型，即結(jié)構(gòu)形式的選擇問(wèn)題，如塔頭類型、坡度、根開(kāi)、鐵塔節(jié)間等的布局和優(yōu)化方法。經(jīng)濟(jì)效益和有效的質(zhì)量一直都是選擇架空輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)型式時(shí)所必須首先考慮的問(wèn)題。根據(jù)目前的科學(xué)技術(shù)水平來(lái)看，拉線塔是被世界公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)效益最明顯的桿塔結(jié)構(gòu)形式。拉線塔具有多種形式，其結(jié)構(gòu)較輕，應(yīng)用比較廣泛，其中比較著名的有拉線拉索桿塔，這是一種相間無(wú)構(gòu)架的拉線塔，在特高壓工程中是一種理想的桿塔結(jié)構(gòu)。但是，拉線塔的缺點(diǎn)也十分明顯，其受環(huán)境因素影響十分嚴(yán)重。比如在城市附近或高山地區(qū)，由于地形較為復(fù)雜，給打拉線和運(yùn)輸施工帶來(lái)的非常大的困難，因此在我國(guó)，特高壓線路多采用拉線塔，局部地區(qū)采用自立式鐵塔。常見(jiàn)的自立式鐵塔有單回線路、雙回供架鐵塔等，由于其有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，所以很少有故障的發(fā)生故障，在一些較為復(fù)雜的地形中應(yīng)用廣泛，但其制作難度相對(duì)較大，且投入的成本也很多。

1.2桿塔強(qiáng)度問(wèn)題

從一般角度來(lái)講，桿塔的結(jié)構(gòu)形式、受力形式、以及桿塔的材料等往往都會(huì)影響到桿塔的強(qiáng)度。架空輸電線路的建造是一個(gè)長(zhǎng)期的工程，一旦建造好后，會(huì)常年進(jìn)行工作，因此作為導(dǎo)線和避雷線的支持物，桿塔必須要有一定的荷載承受能力，其強(qiáng)度和剛度都必須滿足一定的要求，才能確保桿塔的質(zhì)量穩(wěn)定。對(duì)于桿塔強(qiáng)度問(wèn)題的研究，主要方向包括以下幾點(diǎn)，一是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性系數(shù)的研究，二是桿塔的負(fù)載周期、設(shè)計(jì)風(fēng)速以及塔的靜動(dòng)態(tài)荷載計(jì)算方法的研究。此外還包括桿塔的荷載組合原則研究。其中，桿塔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性系數(shù)主要決定于由結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行研究分析和確定，而負(fù)載周期則主要是針對(duì)塔的風(fēng)振系數(shù)，對(duì)高壓導(dǎo)線的荷載組合進(jìn)行研究。目前，應(yīng)用比較廣泛的是桿塔截面為環(huán)形截面。這種構(gòu)件相比于其它構(gòu)件來(lái)講具有很多獨(dú)特的有點(diǎn)。例如：其各方向承載能力均相等，加工起來(lái)方便，而且節(jié)省材料，可以大大的減少投資等等。并且這種環(huán)形截面的鋼筋混凝土構(gòu)件不管在強(qiáng)度還是在剛度上都滿足相關(guān)要求。需要注意的是，在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行研究加工時(shí)，必須注意鋼筋的張拉處理，保證桿塔不產(chǎn)生裂縫，延長(zhǎng)其使用壽命和穩(wěn)定性。

2.輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究

2.1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(lái)確定;風(fēng)振系數(shù)主要針對(duì)高塔來(lái)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)。

2.2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(kāi)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(lái)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。

3.我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的未來(lái)研究方向

當(dāng)前，氣候條件復(fù)雜多變，現(xiàn)行的桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)存在著不少不相適用的地方。電壓等級(jí)的提高、新型輸電技術(shù)的應(yīng)用，使得桿塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高大的發(fā)展趨勢(shì)愈加明顯。在這種情況下，如何保證安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、具有更好的抵御自然災(zāi)害的能力，是當(dāng)前桿塔結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)。

3.1設(shè)計(jì)理論體系

總體來(lái)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，需要進(jìn)一步深入研究。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(lái)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。

3.3節(jié)點(diǎn)構(gòu)造計(jì)算方法

我國(guó)輸電鐵塔與國(guó)外的相比偏重偏大，除設(shè)計(jì)理念、材料性能等方面的因素外，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上的差異也是重要原因之一。目前，對(duì)新材料、新性能節(jié)點(diǎn)的研究還不充分，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)桿件承載力的影響還需進(jìn)一步的研究。

3.4 設(shè)計(jì)計(jì)算軟件

目前行業(yè)內(nèi)采用的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件較為陳舊，很少將近年來(lái)一些新的研究成果和成功經(jīng)驗(yàn)納入其中，在設(shè)計(jì)方法上存在明顯漏洞，如風(fēng)振動(dòng)力荷載的考慮和計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)桿塔主要結(jié)構(gòu)參數(shù)大致確定風(fēng)振系數(shù)，通過(guò)不斷循環(huán)的靜力分析對(duì)桿塔進(jìn)行選材，但結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性并沒(méi)有經(jīng)過(guò)往復(fù)校驗(yàn)?！皵?shù)字化電網(wǎng)”是未來(lái)輸電線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)的必然發(fā)展趨勢(shì)。在研究、摸清線路機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)在各種氣象和地理?xiàng)l件下的動(dòng)力學(xué)行為的基礎(chǔ)上，需要研究開(kāi)發(fā)輸電線路一體化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。

3.5新材料的應(yīng)用研究

我國(guó)鐵塔結(jié)構(gòu)以熱軋等肢角鋼為主，構(gòu)件型式單一，鋼管構(gòu)件的應(yīng)用剛剛起步。在國(guó)外，鋼管構(gòu)件、不等邊角鋼、冷軋薄壁型鋼、卷肢角鋼等均有大量應(yīng)用。鐵塔材料強(qiáng)度低，我國(guó)普遍使用Q235和Q345 兩種鋼材，國(guó)外受力大的桿件大都采用高強(qiáng)度鋼材。目前剛剛進(jìn)行Q420、Q460 的研究及推廣，但在實(shí)際運(yùn)用中還存在一些問(wèn)題。需要繼續(xù)加強(qiáng)高強(qiáng)鋼管塔、耐候鋼塔、冷彎型鋼塔的應(yīng)用研究。也有必要開(kāi)展復(fù)合材料在輸電鐵塔上的應(yīng)用研究。

4.結(jié)語(yǔ)

架空輸電線路桿塔作支撐著整個(gè)電網(wǎng)線路，具有重要的意義和研究?jī)r(jià)值。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種新的電網(wǎng)問(wèn)題也不斷發(fā)生，對(duì)于線路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，必須嚴(yán)格要求自己，推廣應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，從而保證桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曉迎 . 架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題分析 [J]. 民營(yíng)科技 ，2010，05：53.

[2]DL/T5130-2001，架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[3]張殿生，電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[4]楊靖波，李正.輸電線路鋼管塔微風(fēng)振動(dòng)及其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2007，（23）：208-211.