大跨越輸電塔的發(fā)展現(xiàn)狀*

沈國(guó)輝，余杭聰，余 亮，李布輝，姚劍鋒

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102； 3.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展迅速，電力供應(yīng)和電網(wǎng)輸送能力快速增強(qiáng)，電源和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化。截至2018年底，全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量19.0億kW，同比增長(zhǎng)6.5%，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)及水電、火電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模均居世界首位。輸電塔是電力輸送過(guò)程中最重要的載體，輸電線路需要跨越大江大河，通常采用大跨越輸電塔形式。大跨越輸電塔的高度越來(lái)越高，檔距越來(lái)越大，塔高、檔距不斷突破紀(jì)錄，最高的跨越塔高度甚至已經(jīng)超過(guò)了我國(guó)規(guī)范中的梯度風(fēng)高度。

本文對(duì)大跨越輸電塔的發(fā)展歷程、設(shè)計(jì)選型、荷載分析、施工技術(shù)和健康監(jiān)測(cè)等方面的研究進(jìn)行綜述。

1 大跨越輸電塔發(fā)展歷程

大跨越輸電塔從早期的鋼筋混凝土塔，發(fā)展到如今常用的角鋼塔、鋼管塔和鋼混結(jié)構(gòu)組合塔。最近30年來(lái)，全球建成或在建的部分大跨越輸電塔如表1所示。目前已建成的大跨越輸電塔中，舟山西堠門(mén)大跨越輸電塔[1]最高，全塔高380m，而未來(lái)幾年內(nèi)將建成的江蘇第五過(guò)江通道大跨越輸電塔全塔高385m。

表1 全球已建成或在建的部分大跨越輸電塔

2 大跨越輸電塔設(shè)計(jì)選型

大跨越輸電塔具有高度較高、荷載大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗鋼量和投資較大的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)常用的大跨越輸電塔塔型主要有鋼筋混凝土塔、組合斷面角鋼塔、鋼管塔、鋼混結(jié)構(gòu)組合塔等形式。

2.1 鋼筋混凝土塔

以鋼筋混凝土為主要結(jié)構(gòu)的跨越塔，為傳統(tǒng)的塔結(jié)構(gòu)，多在20世紀(jì)90年代初期建成。受材料特點(diǎn)的影響，該類(lèi)型塔質(zhì)量較大，塔的高度存在限制[2]?？紤]到當(dāng)時(shí)鋼材加工能力和設(shè)備水平的限制，采用鋼筋混凝土塔比較適合當(dāng)時(shí)的工程背景。典型代表為大勝關(guān)長(zhǎng)江大跨越輸電塔，如圖1所示。

圖1 大勝關(guān)長(zhǎng)江大跨越輸電塔

2.2 角鋼塔

角鋼塔在加工、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行方面均有成熟經(jīng)驗(yàn)。由于大跨越輸電塔具有普遍較高、荷載較大以及主材節(jié)間距較大等特點(diǎn)，其主斜材斷面通常采用角鋼組成的格構(gòu)式斷面，角鋼之間采用綴條連接。組合角鋼具有加工方便、單件質(zhì)量輕、安裝方便、無(wú)焊縫等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是綴條、綴板等連接附件所占比例很大，塔型耗鋼指標(biāo)較高。同時(shí)，大量綴條和綴板也使得角鋼塔的風(fēng)荷載增大，造價(jià)相應(yīng)提高，因此角鋼大跨越輸電塔的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對(duì)較差。典型代表為江陰長(zhǎng)江大跨越輸電塔，如圖2所示。

圖2 江陰長(zhǎng)江大跨越輸電塔

2.3 鋼管塔

鋼管塔斷面在各方向受力均勻，在面積相同的情況下，回轉(zhuǎn)半徑更大。鋼管截面可充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，改善構(gòu)件的截面剛度，降低長(zhǎng)細(xì)比。與角鋼塔相比，鋼管塔能大大減少輔助桿材的數(shù)量，減小鐵塔的擋風(fēng)面積，使得鐵塔質(zhì)量減輕，同時(shí)鋼管塔整體外形也比角鋼塔美觀。但鋼管塔單根構(gòu)件較重，在運(yùn)輸安裝和鍍鋅時(shí)比較困難，另外鋼管塔對(duì)鋼材材質(zhì)要求較高，在焊接時(shí)工作量較大，加工價(jià)格也高[3]。典型代表為螺頭水道大跨越輸電塔，如圖3所示。

圖3 螺頭水道大跨越輸電塔

2.4 鋼混結(jié)構(gòu)組合塔

鋼混結(jié)構(gòu)組合塔在鋼管塔的基礎(chǔ)上，在主桿件中加入混凝土和格構(gòu)式角鋼骨架，克服了傳統(tǒng)的純鋼管形式主材受徑厚比限制、加工困難、層狀撕裂等缺陷，同時(shí)擁有傳統(tǒng)角鋼塔架容易加工和制造的優(yōu)點(diǎn)。在鋼管內(nèi)部加入混凝土可以為薄壁鋼管提供側(cè)向支撐，提高抵抗局部屈曲的能力[4]。在內(nèi)部增加格構(gòu)式角鋼骨架作為鋼管混凝土內(nèi)部型鋼，在增大截面慣性矩的同時(shí)，也作為腳手架便于施工[5]?？紤]到輸電塔的節(jié)點(diǎn)復(fù)雜性，需要對(duì)新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力的研究，沈國(guó)輝等[6]進(jìn)行了環(huán)形加勁板方向受壓鋼管節(jié)點(diǎn)的承載力研究，陳勇等[7]進(jìn)行了鞍板和環(huán)板加勁K形相貫節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)研究。鋼混結(jié)構(gòu)組合塔的典型代表為西堠門(mén)大跨越輸電塔，如圖4所示。

圖4 西堠門(mén)大跨越輸電塔

3 大跨越輸電塔荷載分析

大跨越輸電塔的主要控制荷載有風(fēng)荷載、地震荷載及覆冰脫冰荷載等。

3.1 風(fēng)荷載

大跨越輸電塔具有高度高、外形細(xì)長(zhǎng)、質(zhì)量相對(duì)較輕、剛度相對(duì)較小等特點(diǎn)，一階自振周期較大，風(fēng)荷載對(duì)其起主要作用。

郭勇等[8]采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究大跨越輸電塔和塔線體系的風(fēng)荷載，利用氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得位移和加速度響應(yīng)，并與時(shí)域和頻域的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；沈國(guó)輝等[9]針對(duì)輸電塔順風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)的各種時(shí)頻域計(jì)算方法的適用性問(wèn)題，探討輸電塔的響應(yīng)特征和各種方法的適用性；劉海銳等[10]在ANSYS軟件中建立大跨越輸電塔有限元模型，并采用時(shí)程分析方法計(jì)算輸電塔在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)振響應(yīng)；張欣[11]利用ABAQUS模擬強(qiáng)風(fēng)下輸電塔線體系的倒塌破壞，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了易損性分析及不確定性分析；曾玉潔[12]模擬生成了風(fēng)雨速度時(shí)程，并在ABAQUS中研究了風(fēng)雨致輸電塔線體系的倒塌破壞機(jī)理；姚劍鋒[13]結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬與理論分析等手段，研究了大跨越鋼管塔的風(fēng)荷載。

3.2 地震作用

大跨越輸電塔線體系跨度大、結(jié)構(gòu)高，且導(dǎo)線具有極強(qiáng)的非線性效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，因此受地震破壞作用也較大。

尹鵬等[14]以榕江大跨越輸電塔為背景，采用時(shí)程分析方法研究輸電塔線體系地震響應(yīng)與輸入地震波的關(guān)系；牛延宏[15]基于多振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和顯示分析方法的有限元計(jì)算方法，開(kāi)展了一系列縮尺模型試驗(yàn)和倒塌破壞的有限元模擬研究；陳龍強(qiáng)等[16]利用ABAQUS進(jìn)行大跨越輸電塔線體系的動(dòng)力特性分析，并采用時(shí)程法對(duì)單塔及塔線體系進(jìn)行雙向輸入地震響應(yīng)分析；沈國(guó)輝等[17]針對(duì)某大跨越輸電塔線體系，采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法進(jìn)行考慮三向輸入的地震響應(yīng)研究；魏奇科等[18]考慮地震波沿大跨越線路傳播時(shí)引起的地震行波效應(yīng)，研究了縱向地震作用下大跨越輸電塔線體系的地震響應(yīng)特性。

3.3 覆冰脫冰荷載

大跨越輸電導(dǎo)線覆冰會(huì)導(dǎo)致輸電塔承受的荷載大幅度增加，增加桿件屈曲的風(fēng)險(xiǎn)；脫冰則會(huì)使輸電導(dǎo)線劇烈跳躍，輸電導(dǎo)線間距小于電氣間隙要求時(shí)會(huì)引起閃絡(luò)；導(dǎo)線振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致斷線或者金具破壞，甚至使桿塔受到?jīng)_擊荷載作用而引發(fā)桿塔折損、倒塔等嚴(yán)重事故。

沈國(guó)輝等[19]采用有限元數(shù)值模擬方法，建立四塔五線的塔線體系模型，模擬覆冰和脫冰現(xiàn)象，獲得輸電塔線體系的脫冰響應(yīng)；李黎等[20]利用ANSYS進(jìn)行塔-線體系脫冰的動(dòng)力響應(yīng)分析；劉春城等[21]進(jìn)行了模擬覆冰條件下五塔四線塔線體系模型的斷線沖擊響應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)得了輸電塔薄弱位置桿件的應(yīng)變時(shí)程曲線，研究了塔線體系在不同斷線工況下桿塔的動(dòng)力響應(yīng)；周洪剛等[22]建立了大跨越輸電塔線體系數(shù)值分析模型,分析了導(dǎo)線劃分精度對(duì)輸電塔-線體系動(dòng)力特性的影響；沈國(guó)輝等[23]針對(duì)分裂導(dǎo)線-間隔棒體系的覆冰脫落問(wèn)題，分析了分裂導(dǎo)線與合成單導(dǎo)線的覆冰脫落的差異，探討不同情況下單根子導(dǎo)線脫冰時(shí)的響應(yīng)。

3.4 斷線沖擊荷載

突然斷線使處于繃緊狀態(tài)的輸電線張力迅速釋放，塔線體系將受到動(dòng)力沖擊作用?？v向荷載輕則使桿塔的局部構(gòu)件產(chǎn)生變形，重則直接導(dǎo)致桿塔破壞，甚至還可能導(dǎo)致倒塔在輸電線路的傳播, 即為多米諾骨牌效應(yīng)的連續(xù)倒塔。

夏正春等[24]利用ANSYS建立塔-線耦合模型，采用顯式動(dòng)力分析技術(shù)，探討塔線體系對(duì)斷線響應(yīng)的仿真方法，同時(shí)，在塔頭安裝鉛芯橡膠阻尼器,研究該阻尼器對(duì)體系斷線相應(yīng)的振動(dòng)控制效果；梁政平等[25]基于ANSYS建立等效彈簧代替模型，利用顯式積分法對(duì)導(dǎo)線和地線的斷線進(jìn)行動(dòng)力有限元仿真分析，分析導(dǎo)線、地線斷線對(duì)直線塔的動(dòng)力作用；SHEN等[26]建立輸電塔、輸電線以及地面的有限元模型，利用生死單元方法來(lái)模擬輸電線斷裂，采用摩擦和接觸來(lái)模擬跌落導(dǎo)線與地面作用，獲得輸電塔線體系的斷線響應(yīng)和斷線張力，并將斷線張力結(jié)果與規(guī)范和文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行比較。

4 大跨越輸電塔施工技術(shù)

大跨越輸電線路的施工方案需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，同時(shí)，大跨越輸電線路的施工氣象條件比一般線路嚴(yán)格，對(duì)安全的要求也比一般線路高，工程量大且施工周期長(zhǎng)。選擇合適的設(shè)計(jì)和施工方案可以顯著降低工程投資并縮短工期。大跨越輸電線路的施工流程為：基坑建造→材料選取→配制混凝土→混凝土中鋼筋選擇→安裝螺栓→混凝土澆筑→塔身吊裝→抱桿組立→抱桿地面提升→抱桿高空提升→頂架吊裝→抱桿拆除及架線。

大跨越輸電塔由于塔高且根基大，水平斷面鐵件較少，交叉鐵跨度大，而且輸電線比較多，在建立過(guò)程中會(huì)碰到很多技術(shù)難題，主要有構(gòu)件的運(yùn)輸與組裝、高空作業(yè)風(fēng)荷載和架線等。

4.1 構(gòu)件吊裝

高位構(gòu)件及橫擔(dān)的吊裝施工是大跨越輸電塔組裝的關(guān)鍵技術(shù)，以螺頭水道大跨越輸電塔為例[5]，采用250t履帶式起重機(jī)與座地旋轉(zhuǎn)式雙搖臂抱桿結(jié)合吊裝高塔的施工方案，如圖5所示。89m以下部分采用250t履帶式起重機(jī)吊裝，89m以上部分采用雙搖臂抱桿吊裝。塔身282m以下吊裝時(shí)，抱桿坐落在中心井架上；塔身282m以上吊裝時(shí)，212m以下中心井架更換為井筒，212m以上仍采用井架。抱桿采用滑車(chē)組倒裝提升，按鐵塔高度分地面、高空兩次分別進(jìn)行。抱桿身部井架在塔身主管上設(shè)置腰環(huán)，其四側(cè)配設(shè)鋼絞線、雙鉤收緊穩(wěn)定。變幅繩卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)置在抱桿髙空井架上，起吊卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)置于地面，通過(guò)控制電纜配合全方位的視頻監(jiān)控，進(jìn)行起吊、變幅、回轉(zhuǎn)的集中控制操作。

圖5 大跨越輸電塔封頂施工

4.2 高空作業(yè)風(fēng)荷載

由于塔身超高，風(fēng)荷載將直接影響構(gòu)件的吊裝定位及施工安全。高正平等[27]利用螺頭水道大跨越所在地已有的風(fēng)速觀測(cè)資料，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，開(kāi)展江中高空風(fēng)速變化特點(diǎn)的分析計(jì)算，開(kāi)展高位構(gòu)件及橫擔(dān)吊裝施工過(guò)程中風(fēng)荷載對(duì)吊裝、定位的影響研究。葉何凱[28]在雙平臂抱桿風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了抱桿結(jié)構(gòu)各部分的體型系數(shù)，計(jì)算了施工過(guò)程中不同姿態(tài)下抱桿結(jié)構(gòu)的等效靜力風(fēng)荷載。馬晉等[29]構(gòu)建了風(fēng)時(shí)程混合模擬方法，用于分析塔架結(jié)構(gòu)的疲勞損傷效應(yīng)，進(jìn)行大跨越輸電塔施工過(guò)程中塔架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

4.3 導(dǎo)線架設(shè)

大跨越輸電塔搭建完成后，還有架線施工中的張力大、風(fēng)偏大、不封航等諸多技術(shù)難題，如圖6所示。張弓等[5]從關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定、導(dǎo)線牽引方式的選擇、初級(jí)引繩和過(guò)渡引繩展放方式的選擇等介紹螺頭水道大跨越架線方案的制定過(guò)程，優(yōu)化了架線方案；張景輝等[30]通過(guò)三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線線長(zhǎng)、弧垂等參數(shù)的精確測(cè)量，利用激光多普勒測(cè)速儀并結(jié)合專(zhuān)用限位支架實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)地線長(zhǎng)度的精確測(cè)量，研制了新型可調(diào)式耐張線夾，實(shí)現(xiàn)了地面壓接快速放線。

圖6 大跨越輸電塔架線施工

5 大跨越輸電塔健康監(jiān)測(cè)

隨著現(xiàn)代傳感測(cè)量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)安全評(píng)估理論的高速發(fā)展，對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。大跨越輸電塔作為重要的電力能源輸送設(shè)施，在遭遇冰雪等惡劣天氣時(shí)，容易發(fā)生極端條件下的損壞，更加需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估。

在輸電塔的損傷識(shí)別方面，黃東梅[31]將損傷診斷問(wèn)題的方法進(jìn)行了歸類(lèi)，提出了高聳塔架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)損傷基于殘余應(yīng)力和應(yīng)變模態(tài)的兩步診斷法；郭佳凡[32]歸納了模糊模式識(shí)別的基本原則，提出了間接模型診斷方法和直接模型診斷方法便于比較應(yīng)用；瞿偉廉等[33]推導(dǎo)了塔身豎桿節(jié)點(diǎn)風(fēng)致豎向應(yīng)變響應(yīng)方差的歸一化公式，并通過(guò)小波變換分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺栓脫落損傷位置的識(shí)別；樓文娟等[34]采用空間小波方法對(duì)剛度不變或漸變的輸電塔實(shí)現(xiàn)了損傷定位；葉何凱[28]對(duì)鋼管塔中典型長(zhǎng)細(xì)比圓形鋼管構(gòu)件進(jìn)行了渦激振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行鋼管構(gòu)件的渦振疲勞損傷計(jì)算，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)氣象參數(shù)評(píng)估鋼管構(gòu)件在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)的風(fēng)致疲勞壽命。

在輸電塔的健康監(jiān)測(cè)方面，劉遙[35]以某大跨越輸電塔體系為背景，對(duì)其動(dòng)態(tài)安全狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行傳感器優(yōu)化布設(shè)、結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別及損傷識(shí)別等方面研究；汪江等[36]利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、新能源及信號(hào)分析處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了大跨越輸電塔振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和模態(tài)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸電塔振動(dòng)信號(hào)、氣象環(huán)境信息的不間斷監(jiān)測(cè)；楊溥等[37]結(jié)合輸電塔三維動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的有效獨(dú)立法和改進(jìn)的一維有效獨(dú)立法，提出同時(shí)考慮雙向測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的有效獨(dú)立法。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)大跨越輸電塔發(fā)展歷程、設(shè)計(jì)選型、荷載分析、施工和健康監(jiān)測(cè)五個(gè)方面的研究進(jìn)行綜述，主要有以下結(jié)論。

1)大跨越輸電塔從鋼筋混凝土塔到組合斷面角鋼塔、鋼管塔和鋼混結(jié)構(gòu)組合塔，塔身的承載能力不斷提高，材料用量進(jìn)一步降低，使得大跨越輸電塔更加經(jīng)濟(jì)合理。

2)針對(duì)大跨越輸電塔的風(fēng)荷載、地震作用、覆冰脫冰、斷線荷載等進(jìn)行研究，有效保障了大跨越輸電塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3)大跨越輸電塔的建造投入巨大、流程復(fù)雜，施工難度高，對(duì)構(gòu)件的運(yùn)輸與組裝、高空作業(yè)風(fēng)荷載和架線施工技術(shù)各方面的研究，確保建造過(guò)程安全高效。

4)對(duì)重要工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，為大跨越輸電塔建成后的安全運(yùn)行提供了重要保障。