輸電線路大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賈素紅

（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610041）

0 引言

大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有多個(gè)關(guān)鍵因素。首先，它們需要能夠承受高壓電力線路的巨大張力和重力荷載。這就要求鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠穩(wěn)定地支撐輸電線路的重量。其次，大跨越鋼管塔必須能夠抵御自然災(zāi)害的襲擊，如強(qiáng)風(fēng)、地震等。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮到這些外力因素，采取相應(yīng)的抗災(zāi)措施，確保輸電線路的安全性和可靠性。此外，大跨越鋼管塔還需要考慮施工和維護(hù)的便利性，以及對(duì)環(huán)境的影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新與改進(jìn)。例如，引入新材料和新工藝，以提高塔體的強(qiáng)度和耐久性；采用智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔體變形和應(yīng)力情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況；利用計(jì)算機(jī)模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確度和效率等。這些創(chuàng)新與改進(jìn)的努力，不僅為大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了更高的安全性和可靠性，同時(shí)也為輸電線路的發(fā)展提供了更好的支持。

1 輸電線路大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)

圖1 為輸電線路雙回路跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)。大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成：塔腿、塔身和塔頭。大跨越鋼管塔是整個(gè)跨越段的主體結(jié)構(gòu)，由多個(gè)鋼管按一定的排列方式組成，可以承受輸電線路的重量和風(fēng)壓力。橫擔(dān)連接在塔頭兩側(cè)，用于支撐跨越段導(dǎo)線。通過調(diào)節(jié)跨越塔間導(dǎo)地線的長(zhǎng)度可以改變輸電線路的張力?；A(chǔ)則是整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)，通常采用混凝土澆筑而成。

圖1 輸電線路雙回路跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)

大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)具有幾個(gè)明顯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。首先，由于塔身采用鋼管構(gòu)成，具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠承受較大的重量和外部風(fēng)壓力。其次，與角鋼塔相比塔腿根開較小，有效地減少了輸電線路對(duì)地面的占用面積，提高了土地利用率。此外，大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)較角鋼塔構(gòu)件大幅減少，組裝和安裝較為簡(jiǎn)便，可以快速完成，降低了工程周期和成本[1]。

大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)還具有一些其他的優(yōu)勢(shì)。首先，由于采用鋼管構(gòu)成，具有較長(zhǎng)的使用壽命和較強(qiáng)的抗腐蝕能力，能夠適應(yīng)不同的氣候和環(huán)境條件。其次，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以根據(jù)輸電線路的需求進(jìn)行，能夠滿足不同的跨越距離和荷載要求。另外，大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)還具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠保證輸電線路的正常運(yùn)行和安全性。

2 大跨越鋼管塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高穩(wěn)定性是大跨越鋼管塔設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一。由于塔身高度較大，承受的風(fēng)力和地震力也會(huì)相應(yīng)增加。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要采用合適的結(jié)構(gòu)形式和材料，以確保塔的穩(wěn)定性和抗風(fēng)抗震能力。通常，大跨越鋼管塔采用三角形結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)置斜桿和水平橫擔(dān)，可以有效地提高整體的穩(wěn)定性。

合理的荷載分配是大跨越鋼管塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。高壓輸電線路需要承受大量的重量，包括導(dǎo)線本身的重量、冰雪負(fù)荷、風(fēng)荷載等。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行荷載計(jì)算，并合理分配到各個(gè)塔的不同部位。同時(shí)，還需要確保每個(gè)部位的受力均勻，避免出現(xiàn)局部過載或不平衡的情況。

材料選擇和施工工藝。在選擇材料時(shí)，需要考慮到強(qiáng)度、耐腐蝕性和可焊性等因素。常用的材料包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼，它們具有較好的力學(xué)性能和耐候性能。在施工過程中，需要嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，確保焊縫的牢固性和可靠性。

大跨越鋼管塔的防腐保護(hù)也非常重要。由于長(zhǎng)期暴露在室外環(huán)境中，鋼管塔容易受到氧化、腐蝕和風(fēng)化等影響。因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要采取有效的防腐措施，如噴涂防腐漆、熱浸鍍鋅等，以延長(zhǎng)鋼管塔的使用壽命[2]。

3 大跨越鋼管塔在應(yīng)用中的問題

大跨越鋼管塔的建設(shè)成本較高。由于其設(shè)計(jì)和制造需要考慮到跨越較長(zhǎng)的距離，因此使用的材料和施工方法都需要更加精細(xì)和復(fù)雜。這就導(dǎo)致了建設(shè)成本的增加，給項(xiàng)目的可行性帶來了一定的挑戰(zhàn)。由于其高度和跨度較大，一旦出現(xiàn)故障或需要維修，需要投入大量的人力和物力資源。而且，由于大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要特殊的設(shè)備和技術(shù)來進(jìn)行維護(hù)和檢修，這給運(yùn)營(yíng)方帶來了一定的困擾[3]。

大跨越鋼管塔的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)其抗風(fēng)、抗震、抗腐蝕等性能提出了更高的要求。例如，鋼管塔的高度會(huì)對(duì)鋼材所受風(fēng)向荷載產(chǎn)生影響，構(gòu)件的材料以及高度等因素都會(huì)影響到實(shí)際荷載情況。在風(fēng)荷效應(yīng)的計(jì)算過程中，不能與普通輸電一樣將風(fēng)荷系數(shù)選為定值，而是要依據(jù)風(fēng)洞測(cè)試情況以及高塔風(fēng)振研究來合理設(shè)置風(fēng)荷系數(shù)，通常采用下式來進(jìn)行計(jì)算：

式中：ξ——脈動(dòng)增大系數(shù)；v——脈動(dòng)影響系數(shù)；?——振型系數(shù)；μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

大跨越鋼管塔的施工周期較長(zhǎng)。由于其建設(shè)需要考慮到跨越較長(zhǎng)的距離，因此在施工過程中需要進(jìn)行大量的測(cè)量和調(diào)整工作，這就導(dǎo)致了施工周期的延長(zhǎng)。而長(zhǎng)時(shí)間的施工周期不僅會(huì)增加項(xiàng)目的成本，還會(huì)延遲電力輸送線路的建設(shè)進(jìn)度，給電力供應(yīng)帶來一定的影響。大跨越鋼管塔在一些特殊地理環(huán)境下的應(yīng)用存在一定的困難。例如，在山區(qū)或者沼澤地等復(fù)雜地形環(huán)境中，大跨越鋼管塔的施工和維護(hù)都會(huì)面臨較大的挑戰(zhàn)。這就需要針對(duì)不同的地理環(huán)境進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和施工方案，增加了項(xiàng)目的難度和成本。大跨越鋼管塔的外觀對(duì)于景觀的影響也是一個(gè)問題。由于其高度較大且數(shù)量眾多，大跨越鋼管塔在一些風(fēng)景名勝區(qū)或者城市中會(huì)對(duì)景觀產(chǎn)生一定的影響。這就需要在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中充分考慮到環(huán)境保護(hù)和景觀美化的因素，以減輕對(duì)景觀的影響。

4 大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 大跨越鋼管塔的設(shè)計(jì)要求

大跨越鋼管塔的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到環(huán)境因素，包括風(fēng)速、地質(zhì)條件和氣候等。塔身的高度和直徑需要根據(jù)所在地區(qū)的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理選擇，以確保塔身能夠承受強(qiáng)風(fēng)的沖擊，并保持穩(wěn)定。大跨越鋼管塔的結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受輸電線路的重量和外界荷載。塔身應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼材制作，并經(jīng)過合理的加固設(shè)計(jì)，以確保在各種工作條件下的安全運(yùn)行。大跨越鋼管塔的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也非常重要。塔基的選址和設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果確定，以確?；A(chǔ)的穩(wěn)定性和承載能力。基礎(chǔ)深度和尺寸應(yīng)根據(jù)土壤條件和塔身結(jié)構(gòu)來確定，并采取適當(dāng)?shù)姆栏胧?，以延長(zhǎng)基礎(chǔ)的使用壽命。此外，大跨越鋼管塔的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮施工和維護(hù)的便利性。塔身結(jié)構(gòu)應(yīng)合理布置，以便于施工人員進(jìn)行安全操作和維護(hù)工作。同時(shí)，還應(yīng)提供適當(dāng)?shù)姆览自O(shè)施和安全裝置，以確保人員和設(shè)備的安全[4]。

4.2 內(nèi)力計(jì)算

首先需要確定鋼管塔的幾何參數(shù)，包括塔高、橫跨距離、塔身截面形狀等。這些參數(shù)將直接影響內(nèi)力的分布和大小。在計(jì)算內(nèi)力之前，要明確塔身所受到的外部荷載。輸電線路大跨越鋼管塔通常要承受電纜的自重、風(fēng)荷載、溫度變化等多種荷載。這些荷載將負(fù)載在塔的不同位置，產(chǎn)生不同的內(nèi)力。鋼管塔的內(nèi)力計(jì)算主要包括彎矩、剪力和軸力。彎矩是指塔身在荷載作用下產(chǎn)生的彎曲力矩，剪力是指塔身在荷載作用下產(chǎn)生的剪切力，軸力是指塔身在荷載作用下產(chǎn)生的拉壓力。對(duì)于大跨越鋼管塔，通常采用桿件法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。首先，將塔身劃分為若干個(gè)桿件，每個(gè)桿件可以看作是一段直線桿件，然后通過力平衡和力矩平衡方程進(jìn)行計(jì)算。以彎矩為例，可以根據(jù)力矩平衡方程計(jì)算出每個(gè)桿件上的彎矩大小。

式中：M——彎矩；F——作用力；h——力臂。

剪力和軸力的計(jì)算也類似，可以通過力平衡方程計(jì)算出每個(gè)桿件上的剪力和軸力大小。剪力的計(jì)算公式：

式中：V——剪力；F——作用力；θ——力的夾角。

軸力的計(jì)算公式：

式中：N——軸力；F——作用力；θ——力的夾角。

在實(shí)際計(jì)算中，還需要考慮桿件的材料性能，如彈性模量、截面面積等。這些參數(shù)將影響內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果。

4.3 構(gòu)件斷面選擇

在選擇構(gòu)件斷面時(shí)需要考慮鋼管塔的受力情況。鋼管塔主要承受重力、風(fēng)荷載和線路拉力等作用力。根據(jù)不同的受力情況，可以選擇適當(dāng)?shù)臉?gòu)件斷面形式，如圓形、方形、矩形等。一般來說，圓形斷面具有更好的抗彎能力和抗壓能力，適用于承受垂直和水平作用力較大的部位。其次，鋼管塔的構(gòu)件斷面還需要考慮材料的經(jīng)濟(jì)性和工程的可行性。材料的經(jīng)濟(jì)性包括材料的成本和使用壽命等因素。在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的前提下，應(yīng)選擇材料成本較低且使用壽命較長(zhǎng)的材料。同時(shí)，還需考慮制造和安裝的可行性，避免過于復(fù)雜的構(gòu)件斷面造成制造和安裝困難。構(gòu)件斷面還需要考慮鋼管塔的防腐措施[5]。由于鋼管塔常常處于室外，容易受到大氣腐蝕的影響。因此，在選擇構(gòu)件斷面時(shí)，需要考慮采用防腐材料或防腐涂層，以延長(zhǎng)鋼管塔的使用壽命，并減少維護(hù)成本。鋼管塔的施工和維護(hù)也是選擇構(gòu)件斷面的重要因素。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到施工和維護(hù)的便利性，避免過于復(fù)雜的構(gòu)件斷面增加施工和維護(hù)的難度。同時(shí)，還需考慮構(gòu)件斷面的可拆卸性，以方便維修和更換。

4.4 鋼管塔連接方式

鋼管塔連接方式的選擇需要考慮塔身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用要求。常見的連接方式包括法蘭連接、焊接連接和螺栓連接等。在選擇連接方式時(shí)，需要綜合考慮塔身的受力情況、施工工藝和維護(hù)方便程度等因素，以確保連接的牢固性和可靠性。在鋼管塔連接方式的具體措施中，需要考慮連接部位的加強(qiáng)措施。連接部位是塔身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和疲勞斷裂等問題。為了增強(qiáng)連接部位的承載能力，可以采取增加連接板厚度、設(shè)置連接板加勁肋、采用加固筋和加強(qiáng)筋等方式，提高連接部位的抗彎和抗剪能力。在鋼管塔連接方式的設(shè)計(jì)中，還需要考慮連接部位的防腐措施。由于輸電線路通常處于惡劣的自然環(huán)境中，連接部位容易受到大氣腐蝕和電腐蝕的影響，從而導(dǎo)致連接的松動(dòng)和腐蝕損壞。為了延長(zhǎng)連接部位的使用壽命，可以采用防腐涂層、防腐襯里和防腐涂層修復(fù)等方式，提高連接部位的耐腐蝕性能。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，電力行業(yè)的發(fā)展也日益迅速。而輸電線路作為能源傳輸?shù)闹匾緩?，?duì)于社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。在輸電線路建設(shè)中，大跨越鋼管塔不僅成為主要的輸電線路塔類型，而且結(jié)構(gòu)的合理性更是影響線路穩(wěn)定性的主要因素。在實(shí)際應(yīng)用中，大跨越鋼管塔不僅具有高強(qiáng)度、抗風(fēng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且具備構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等特點(diǎn)，使得其成為輸電線路的首選塔型之一。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提高輸電線路的穩(wěn)定性，并減輕電網(wǎng)運(yùn)行過程中的安全隱患。因此在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還需要繼續(xù)探索和研究，開展優(yōu)化設(shè)計(jì)和配套方案的研究，以適應(yīng)不斷發(fā)展變化的電力行業(yè)需求。