輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探析

李鑫

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021）

桿塔結(jié)構(gòu)屬于輸電線路中的重要組成部分，在輸電線路穩(wěn)定運行中發(fā)揮著重要作用，在桿塔結(jié)構(gòu)應(yīng)用下，能使輸電線路與地面保持安全距離，因此須要保證桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，輸電線路建設(shè)環(huán)節(jié)，桿塔結(jié)構(gòu)存在較高的投資比例，約為35%，可見桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，是輸電線路投資效益的決定性因素。當(dāng)前，我國逐漸加大了輸電線路建設(shè)力度，將輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作為關(guān)鍵內(nèi)容意義重大。

1 桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要價值及桿塔荷載類型

電力設(shè)計過程中，桿塔結(jié)構(gòu)屬于較為關(guān)鍵的設(shè)計內(nèi)容，會直接影響電力的運輸效益及質(zhì)量，實際上桿塔結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，若一個桿件發(fā)生損壞，可能不會對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大的影響，而當(dāng)破壞程度超過桿塔最大荷載時[1]，才會使桿塔受到嚴(yán)重破壞。不過在以往設(shè)計環(huán)節(jié)，選擇的是滿應(yīng)力設(shè)計手段，缺乏先進(jìn)性，且無法滿足桿塔運行實際要求，所以，相關(guān)人員應(yīng)對實際方法進(jìn)行不斷優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)整體性能有效提升，提升結(jié)構(gòu)承載能力，保證結(jié)構(gòu)更加可靠、穩(wěn)定，更好地發(fā)揮出桿塔結(jié)構(gòu)的作用與價值。實際設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)將重點放在最大承載能力確定上，詳細(xì)分析桿塔荷載力，而桿塔荷載具體可分為以下幾種：（1）永久荷載。這種類型的荷載中包含桿塔自重，并且，還包含設(shè)備與導(dǎo)線重力以及預(yù)應(yīng)力等。（2）可變荷載。其主要指的是一些可變化的荷載，還包括一些附加荷載，如人工荷載以及風(fēng)荷載等。（3）特殊荷載，指的是特殊環(huán)境下的荷載，如不平衡張力荷載、地震荷載等。桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)綜合考量這些荷載，從而優(yōu)化桿塔結(jié)構(gòu)，提升桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的同時，使電網(wǎng)運行效益有所提升。

2 我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

桿塔屬于重要的支撐工具，是輸電線路與地線連接的關(guān)鍵，可以確保輸電線路同地面具備一定距離。輸電線路桿塔的安全性與可靠性對整個輸電線路安全生產(chǎn)影響深遠(yuǎn)，分析我國輸電線路資金投入情況及架線過程得出輸電線路整體建設(shè)中，桿塔建設(shè)成本占有較大比重，屬于影響輸電線路經(jīng)濟效益的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段，我國高壓網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)不斷向前推進(jìn)，出現(xiàn)了較多新型輸電技術(shù)，應(yīng)用也日漸廣泛，輸電線路桿塔建設(shè)數(shù)量上也逐漸增多，在結(jié)構(gòu)上也逐漸向大型化及高負(fù)荷方向發(fā)展。不過就當(dāng)前我國桿塔設(shè)計而言，設(shè)計水平仍存在較大的提升空間，無法很好地滿足社會發(fā)展要求。結(jié)合當(dāng)前實際情況發(fā)現(xiàn)，主要由兩類企業(yè)進(jìn)行輸電線路桿塔的生產(chǎn)制造：第一類為一些設(shè)備定點生產(chǎn)企業(yè)或國營電力設(shè)備企業(yè)；第二類為手工生產(chǎn)企業(yè)。第一類企業(yè)中存在較強的經(jīng)濟實力，專業(yè)人員較多，技工能力與技術(shù)水平更高；第二類企業(yè)中，主要涉及到的企業(yè)為民營企業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及個體企業(yè)等，不具備較高的生產(chǎn)加工技術(shù)水平。總體而言，我國現(xiàn)階段桿塔設(shè)計水平相對較低，應(yīng)進(jìn)一步加大技術(shù)改進(jìn)力度，使設(shè)備質(zhì)量得到有效提升。

3 輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計策略

3.1 實施桿塔結(jié)構(gòu)多樣化設(shè)計

輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)，須要滿足便于加工、運輸，形式美及重量輕要求。動態(tài)規(guī)劃設(shè)計表示的是，桿塔設(shè)計環(huán)節(jié)選擇多樣化手段，提升桿塔設(shè)計優(yōu)化水平。桿塔制作前，相關(guān)人員應(yīng)按照桿塔安裝現(xiàn)場具體情況，結(jié)合相關(guān)計算法則與力學(xué)原理，減少桿塔迎風(fēng)面積。根據(jù)輸電線路設(shè)計要求，確保選用的桿塔制造材料具備較強的科學(xué)性及合理性，最大程度上縮小桿塔設(shè)計尺寸，以免桿塔占用較大的土地，并且還應(yīng)使桿塔足夠穩(wěn)固、安全。

3.2 科學(xué)選擇桿塔頭及塔身結(jié)構(gòu)

塔頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇。在塔頭形式上主要包括2種：（1）干字形塔頭；（2）羊字形塔頭。其中干字形塔頭，質(zhì)量會偏重一些，結(jié)構(gòu)強度與承重能力均高于羊字形塔頭；羊字形桿塔結(jié)構(gòu)較為合理，在塔頭質(zhì)量上相對較輕，實際使用環(huán)節(jié)更便于支撐。所以，若施工區(qū)域地形地勢平緩，工作人員應(yīng)盡量選擇羊字形塔頭?，F(xiàn)階段，只有這2種塔頭結(jié)構(gòu)，無法很好地滿足電網(wǎng)架設(shè)實際需求。因此，設(shè)計人員應(yīng)與制造單位密切合作，設(shè)計出更加合理的塔頭，豐富塔頭形式，提升電網(wǎng)架設(shè)水平。

塔身結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇。當(dāng)前，輸電線路桿塔塔身主要存在2種：（1）矩形塔；（2）正方形塔。與矩形塔相比，正方形塔存在更大的占地面積與重量，在運輸與施工上難度更大，不過在抗橫、縱向承載力等方面，正方形塔優(yōu)于矩形塔。通常情況下，桿塔塔身水平檔距約為400 m，垂直檔距約為560 m。相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合直線桿塔塔底與橫擔(dān)長度，獲得最佳輸電線路塔形，在科學(xué)、規(guī)范輸電桿塔設(shè)計下，使其具備更強的實用性及創(chuàng)新性。

3.3 優(yōu)化桿塔傳力線路，合理布置斜材

若想達(dá)到桿塔直線塔傳力路線優(yōu)化效果，應(yīng)將K型斜材布置在塔身上面位置，通過這樣的方式可以實現(xiàn)：（1）避免輸電線路桿塔下部塔身斜材同時受壓，（2）能夠有效降低輸電線路桿塔重量。

在轉(zhuǎn)角塔傳力路徑優(yōu)化上，同直線塔方式相同，不過須要注意的是，應(yīng)在橫擔(dān)處布置K型斜材[2]，主要是在該位置處，輸電線路桿塔重量最輕，能夠獲得更好的傳力效果。斜材布置時應(yīng)遵循以下原則：首先，為保證腹桿受力合理性，應(yīng)嚴(yán)格控制腹桿水平角，使其處于35°～45°范圍內(nèi)；其次，為避免腹桿存在同時受壓現(xiàn)象，可將K形腹桿設(shè)置于隔面處，也可優(yōu)化塔身隔面間交叉腹桿數(shù)量；再次，斜材布置過程中，應(yīng)保證塔身布材均勻、擁有清晰的傳力路徑且布置簡潔，從而保證主材與斜材受力合理；最后，優(yōu)化斜材的長度與坡度，對比分析多種布置方案，如平行軸與最小軸等，進(jìn)行大小交叉的合理篩選，盡可能降低塔重。

3.4 科學(xué)布置桿塔主材，優(yōu)化塔頭坡度

對桿塔主材計算長度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，主材會影響到桿塔構(gòu)件長度、承載力以及輸電線路截面積，若想保證桿塔強度，應(yīng)科學(xué)選擇構(gòu)建規(guī)格，將內(nèi)力情況及構(gòu)件計算長度，作為構(gòu)建選取規(guī)格的主要判斷依據(jù)。當(dāng)輸電線路桿塔構(gòu)件內(nèi)力不變時，桿塔構(gòu)件越長，在規(guī)格上也會越大。

塔頭坡度優(yōu)化。桿塔塔頭設(shè)計環(huán)節(jié)，為使剛度要求與上下主材相符合，規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)保證坡度合理性，對頭部塔身進(jìn)行規(guī)劃的同時，還應(yīng)對頭部連接與各主材間的協(xié)調(diào)性等情況進(jìn)行重點考慮?，F(xiàn)階段，較為常見的塔身模式主要有2種：（1）直塔身；（2）梯形塔身。前者優(yōu)勢主要包括：加工方便、電氣間隙布置良好，并且塔身可與下橫擔(dān)連接，從而形成角鋼或垂直型式鋼。后者優(yōu)勢主要包括：具備較強的抗扭能力，可以獲得較好的協(xié)調(diào)性，并且變坡處上下段塔身材料具備相似的規(guī)格。

3.5 合理選取塔身坡度

輸電線路桿塔塔身上口寬固定時，塔身坡度與斜材呈正比，坡度越大，斜材長度則會越短，并且，斜材重量及受力也會逐漸增加，主材規(guī)格及內(nèi)力會進(jìn)一步加大?；A(chǔ)作用力及征地范圍大小也會受到塔身坡度的影響[3]，塔身坡度逐漸增大下，基礎(chǔ)作用力會逐漸減小，塔身坡度逐漸減小下，基礎(chǔ)作用力會逐漸增大。塔身坡度屬于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的一項重點內(nèi)容。所有具體的鐵塔均會存在一個最優(yōu)重量，從以往工程設(shè)計中可以發(fā)現(xiàn)，塔身坡度會對塔重產(chǎn)生直接的影響，不過塔身上口寬基本不會受到塔重的影響。因此，輸電線路桿塔設(shè)計環(huán)節(jié)，須要滿足橫擔(dān)構(gòu)造及變形要求，塔身上口寬度不宜過大，如果塔身上口過寬，會使桿塔重量增加，進(jìn)而耗費過多的輔助材料，增加成本支出。坡度選擇環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量選取小坡度，有助于環(huán)境保護的同時，可以有效減小征地范圍。

4 輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的未來發(fā)展方向

4.1 科學(xué)創(chuàng)設(shè)設(shè)計理論體系

輸電線路桿塔機構(gòu)設(shè)計未來發(fā)展中，設(shè)計理論體系會持續(xù)完善、優(yōu)化。就當(dāng)前我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，在理論體系上仍存在提升空間，須要進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計方法，研究出更加先進(jìn)的設(shè)計理論體系。

4.2 強化荷載取值研究

桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，荷載取值也是主要的研究內(nèi)容，能夠直接影響桿塔結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，在荷載取值研究方面，更加關(guān)注同靜力風(fēng)荷載相關(guān)參數(shù)的研究，并沒有對動力風(fēng)荷載取值進(jìn)行深入分析，因此，未來研究中，須要將重點放在斷線工況組合與風(fēng)、冰荷載組合取值上，使荷載取值研究更加全面、合理，提升桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計水平。

4.3 全面研究節(jié)點構(gòu)造計算方法

若想實現(xiàn)桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，還應(yīng)改進(jìn)節(jié)點構(gòu)造計算方法。就實際情況而言，受到設(shè)計材料、設(shè)計理念等方面的影響，我國與國外輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)相比，桿塔結(jié)構(gòu)尺寸及重量過大，從而在節(jié)點構(gòu)造上也存在較大差異[5]。所以，未來桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，須要更加全面地進(jìn)行節(jié)點構(gòu)造計算方法的研究，科學(xué)處理節(jié)點構(gòu)造與桿件承載力間存在的關(guān)系。

4.4 加大新材料應(yīng)用研究力度

在未來發(fā)展中，桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)強化對新材料的應(yīng)用研究，豐富構(gòu)建形式，使桿塔材料具備更高的強度等，提升設(shè)計水平。

5 結(jié)束語

綜上所述，輸電線路建設(shè)環(huán)節(jié)，桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)階段輸電線路桿塔建設(shè)情況，制定出多樣化的優(yōu)化設(shè)計方案，強化桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)新能力。具體設(shè)計優(yōu)化環(huán)節(jié)，須要從建設(shè)現(xiàn)場情況入手，根據(jù)動態(tài)設(shè)計原則，從塔頭、塔身等方面重點進(jìn)行桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提升電力網(wǎng)絡(luò)線路建設(shè)的高效性及安全性。