輸電線路牦牛造型景觀塔設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

廖邢軍, 蒲 凡, 甘小平, 劉洪昌, 何文俊

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司, 成都 610056)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電力需求的增加,輸電線路建設(shè)日益增多,因通道限制,部分線路需要在城鎮(zhèn)周邊、草原、風(fēng)景名勝區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)附近走線。根據(jù)國(guó)家和中國(guó)能建集團(tuán)發(fā)展戰(zhàn)略,輸電線路建設(shè)應(yīng)追求自然與美的有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)“賦能美麗中國(guó),共建美好世界”文化理念。

近年來(lái),部分學(xué)者陸續(xù)開展了景觀塔規(guī)劃設(shè)計(jì)研究,何守理[1]總結(jié)了輸電線路景觀塔設(shè)計(jì)現(xiàn)狀,提出了輸電景觀塔應(yīng)遵循功能性、安全性、地域性、整體性和經(jīng)濟(jì)性原則,以及景觀塔設(shè)計(jì)研究思路。王亞東等[2]結(jié)合新疆地區(qū)風(fēng)景特點(diǎn)、人文特色和“一帶一路”設(shè)計(jì)思路,提出了三角形鐵塔、樹型景觀塔和V形景觀塔。王夢(mèng)杰等[3]、李越華等[4]結(jié)合地域文化等對(duì)阿里地區(qū)輸電線路景觀塔進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì),提出了牦牛塔、羊頭塔、酥油燈塔、日月塔等多個(gè)新型景觀塔,并在阿里地區(qū)首次大范圍應(yīng)用了羊頭景觀塔,如圖1(a)所示,取得了不錯(cuò)的效果。廖邢軍等[5]完成牦牛造型景觀塔真型試驗(yàn)研究,并在昌都市進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用,如圖1(b)所示。翁潔等[6]針對(duì)安吉地區(qū),設(shè)計(jì)了一種帶有“安吉”和“兩山”元素的生態(tài)景觀塔,并進(jìn)行了受力分析。

圖1 輸電線路景觀塔實(shí)例

但目前關(guān)于景觀塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍缺乏統(tǒng)一的原則和標(biāo)準(zhǔn);造型設(shè)計(jì)突破性不強(qiáng),如羊頭、牛頭造型景觀塔基本結(jié)構(gòu)仍為傳統(tǒng)的酒杯塔結(jié)構(gòu);塔重指標(biāo)偏重,經(jīng)濟(jì)性欠佳;一些景觀塔方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以推廣應(yīng)用。對(duì)此,本文結(jié)合工程實(shí)例,以牦牛造型景觀塔為例,對(duì)其設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹,并提出了一種新型曲臂結(jié)構(gòu),旨在為以后的景觀塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 景觀融合思路

結(jié)合已有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn),景觀塔設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合擬建線路沿線景觀、地域文化特色和掛線方式進(jìn)行規(guī)劃,可采取以下兩種思路:根據(jù)動(dòng)物外形特點(diǎn),卡通、人物形象,建筑、生活物品或文化符號(hào)進(jìn)行造型設(shè)計(jì);采用色彩和裝飾圖案進(jìn)行涂裝等。

具體實(shí)施時(shí),應(yīng)結(jié)合擬建線路沿線景觀、地域文化特色和輸電線路特點(diǎn),選擇最適合的方案。如在昌都草原地區(qū),牦牛文化最具特色,對(duì)單回交流線路,宜優(yōu)先采用牦牛造型景觀塔。

2 造型深化設(shè)計(jì)

初步確定造型后,需結(jié)合掛線、間隙、防雷和保護(hù)角等要求進(jìn)行造型深化設(shè)計(jì)研究,確保結(jié)構(gòu)安全可靠、造型美觀,同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。以牦牛造型景觀塔為例,景觀塔造型深化設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)步驟。

(1)確定塔型和使用條件。一般情況下,輸電線路懸垂塔占比較大,且造型相對(duì)更容易些,宜優(yōu)先選擇懸垂塔進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。使用條件可根據(jù)塔位實(shí)際條件進(jìn)行規(guī)劃確定。

(2)確定呼高范圍。景觀塔造型設(shè)計(jì)需考慮呼高影響,呼高過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響美感。如對(duì)500kV牦牛造型景觀塔,呼高宜控制在42～60 m。

(3)確定導(dǎo)線掛線方案。對(duì)單回路交流塔,導(dǎo)線排列方式可采取的方案有3I串、IVI串、3V串水平和三角形排列等多種方式。為配合造型,也可采用復(fù)合橫擔(dān)。

對(duì)牦牛造型景觀塔,結(jié)合牦牛頭部特征,宜采用IVI串,可采用三種掛線方式:一是IVI水平排列,忽略牛耳,將邊相導(dǎo)線懸掛于牛角的彎折處,即圖2中“角式掛線”;二是IVI水平排列,考慮牛耳,采用常規(guī)的平橫擔(dān)懸掛邊導(dǎo)線,即圖2中“耳式掛線”;三是IVI三角形排列,將中相導(dǎo)線懸掛于牛角頂端?；诮?jīng)濟(jì)性考慮,優(yōu)先推薦采用水平排列方式。

圖2 牦牛造型景觀塔頭布置方案

(4)確定地線掛線方案。地線掛線需滿足導(dǎo)地線水平位移、垂直距離和保護(hù)角等要求[7-8]。對(duì)500 kV單回交流線路,輕冰區(qū)導(dǎo)地線位移不小于1.75 m,中冰區(qū)導(dǎo)地線位移不小于2.0 m;對(duì)外子導(dǎo)線,地線保護(hù)角不應(yīng)大于10°,高雷區(qū)還需要減小保護(hù)角或采用負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì);兩根地線間的距離不大于導(dǎo)線與地線間距離的5倍。對(duì)牦牛造型景觀塔,地線宜懸掛于牛角頂部,可采用懸垂串或耐張串進(jìn)行掛線。

(5)確定塔頭布置方案。塔頭布置應(yīng)在滿足導(dǎo)、地線掛線需求的基礎(chǔ)上,結(jié)合造型和構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)IVI串牦牛造型景觀塔,結(jié)合不同的牦牛頭部和牛角特征,可采用的塔頭布置大致有7種方案,如圖2所示,其中方案(a)、方案(b)、方案(c)、方案(d)、方案(g)為角式掛線,方案(e)、方案(f)為耳式掛線,各方案之間在地線支架、瓶口口寬、塔窗寬度和頂部處理細(xì)節(jié)上有所區(qū)別。角式掛線結(jié)合牛角上翹的特點(diǎn)將邊相導(dǎo)線抬高,可降低呼高2～3 m,減輕塔重。方案(d)地線按負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì),適用于高雷區(qū)。方案(g)采用三角形排列,中相懸掛于牛角頂端,塔窗尺寸因不受電氣間隙控制可大幅度減小。

(6)確定塔身布置方案。塔身布置方案應(yīng)與塔頭相協(xié)調(diào),以突出造型特點(diǎn)。對(duì)牦牛造型景觀塔,與頭部布置相結(jié)合,塔身可采用幾種布置方案,如圖3所示,其中方案(a)、方案(c)采用正常設(shè)計(jì),方案(b)、方案(d)、方案(e)、方案(f)采用大口寬大坡度設(shè)計(jì)。

圖3 牦牛造型塔身布置方案

(7)動(dòng)力特性研究。由于景觀塔外形與常規(guī)塔型差異較大,需要對(duì)景觀塔動(dòng)力特性進(jìn)行分析,以確定合理的風(fēng)振系數(shù)取值,并避免因結(jié)構(gòu)布置不合理出現(xiàn)一些薄弱點(diǎn)。根據(jù)已有研究成果,動(dòng)力分析可采用塔線分離模型、塔線耦合動(dòng)力加載模型和等效靜力加載模型[9-10]。對(duì)于大口寬景觀塔,需要注意對(duì)斜材進(jìn)行埃菲爾效應(yīng)校驗(yàn)。

(8)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。針對(duì)多個(gè)造型方案,需從造型、經(jīng)濟(jì)性、占地、施工和運(yùn)維等方面進(jìn)行綜合比較,選擇最優(yōu)方案。表1為牦牛造型景觀塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較情況,可以看出,方案(b)、方案(e)造型和經(jīng)濟(jì)性均較優(yōu),推薦優(yōu)先采用。經(jīng)多方討論、最終評(píng)審確定,在川藏鐵路配套、拉薩環(huán)網(wǎng)工程中采用了方案(b)。

表1 牦牛造型景觀塔方案比較

3 結(jié)構(gòu)布置和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

為配合造型需要,景觀塔結(jié)構(gòu)往往需要采用非常規(guī)的結(jié)構(gòu)布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。為確保傳力清晰和可靠,需結(jié)合試驗(yàn)或有限元軟件進(jìn)行研究、優(yōu)化后,方可在工程中應(yīng)用。對(duì)牦牛造型景觀塔,推薦方案(b)、方案(e)塔頭構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,主要涉及以下結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 塔頭共面處理

鐵塔結(jié)構(gòu)由多段桁架拼裝而成,為確保傳力可靠,要求各段正、側(cè)面桿件各自共面,故在塔頭布置時(shí)首先需要?jiǎng)澐止裁娑?并確定各段風(fēng)壓計(jì)算方式。以推薦方案(b)為例,塔頭部分需劃分為6段,即地線支架2段、邊相導(dǎo)線橫擔(dān)1段、塔頂天橋1段、橫擔(dān)根部過(guò)渡段1段、上下曲臂共1段,如圖4所示。地線支架和上下曲臂近似豎向布置,應(yīng)按塔身計(jì)算風(fēng)壓[11],其余段按橫擔(dān)計(jì)算風(fēng)壓。

圖4 牦牛造型景觀塔頭分段

3.2 邊導(dǎo)掛架

傳統(tǒng)酒杯塔采用I串掛線時(shí),導(dǎo)線金具穿向一般垂直于線路方向。方案(b)邊相由于設(shè)有掛架,導(dǎo)線金具穿向若按垂直于線路方向設(shè)置,構(gòu)造將會(huì)十分復(fù)雜,故可將導(dǎo)線金具穿向條調(diào)整為平行線路方向設(shè)置。

3.3 曲臂結(jié)構(gòu)

為減小塔頭尺寸和塔重,傳統(tǒng)的酒杯塔和貓頭塔在塔頭規(guī)劃時(shí),一般均將曲臂K節(jié)點(diǎn)向外鼓曲處理或?qū)⑼鈧?cè)規(guī)劃為直線,下曲臂內(nèi)主材與外主材和橫材在變坡處交于一處,同時(shí)內(nèi)主材相交形成十字節(jié)點(diǎn),如圖5(a)所示。工程經(jīng)驗(yàn)和真型試驗(yàn)表明,這種結(jié)構(gòu)形式存在變坡節(jié)點(diǎn)偏心受力較嚴(yán)重,曲臂K節(jié)點(diǎn)容易變形等問題[12-13]。

圖5 曲臂K節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖

雖然《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5486—2020)[14]中規(guī)定酒杯形及貓頭形鐵塔曲臂K節(jié)點(diǎn)宜采取減小變形的構(gòu)造措施,但目前仍未有較好的解決方案。在設(shè)計(jì)中主要通過(guò)避免將K節(jié)點(diǎn)規(guī)劃為直線進(jìn)行處理,同時(shí)要求施工時(shí)在K節(jié)點(diǎn)處設(shè)置對(duì)拉臨時(shí)拉線,試驗(yàn)表明效果有限[5]。

3.3.1 K節(jié)點(diǎn)變形分析

曲臂K節(jié)點(diǎn)向外變形受螺栓滑移、結(jié)構(gòu)受力、加工因素和施工因素等影響[12-13], 加工因素和施工因素一般難以量化,而螺栓滑移、結(jié)構(gòu)受力則可通過(guò)力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[15],平面桁架的螺栓滑移、結(jié)構(gòu)受力變形可用虛功原理計(jì)算:

(1)

考慮加工誤差,取e=2.0 m,據(jù)此,可求得ZNC33153B塔在主要工況下,K節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移理論值,如表2所示。表2同時(shí)也給出了主要工況下的試驗(yàn)觀測(cè)值,可以看出,曲臂K節(jié)點(diǎn)相對(duì)變形值受工況類別、加載級(jí)別、加工誤差等因素影響,理論值與試驗(yàn)值有一定差異。

表2 ZNC33153B曲臂K節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移

3.3.2 布置優(yōu)化

為減小曲臂K節(jié)點(diǎn)變形,并改善瓶口節(jié)點(diǎn)正側(cè)面受力的不均勻性,結(jié)合牦牛造型需求,提出一種新型曲臂結(jié)構(gòu)布置方案,如圖5(b)所示。為配合造型并滿足曲臂主材最小夾角要求[14],首先加大瓶口寬度,將下曲臂內(nèi)主材采用K節(jié)點(diǎn)與瓶口水平材進(jìn)行連接,避免采用X形節(jié)點(diǎn),然后將曲臂K節(jié)點(diǎn)外側(cè)調(diào)整為向塔身內(nèi)側(cè)凹向布置,并在下曲臂內(nèi)主材之間增設(shè)水平隔面限制下曲臂變形。

一方面,新型曲臂結(jié)構(gòu)布置方案由于增設(shè)了水平隔面,起到了拉桿的作用,采用式(1)計(jì)算,同等條件下,螺栓滑移引起的曲臂K節(jié)點(diǎn)相對(duì)變形理論值可減小約20%,也避免了在施工過(guò)程中設(shè)置對(duì)拉臨時(shí)拉線。

另一方面,由于曲臂K節(jié)點(diǎn)向塔身內(nèi)凹,受力變形值可顯著減小,具體分析如下。

如圖5所示,在線條荷載作用下(不考慮塔身風(fēng)),假定A、B為鉸接點(diǎn)且導(dǎo)地線荷載在前后側(cè)均勻分配,按桁架結(jié)構(gòu)理論,可求得A、B點(diǎn)的水平力分別為

(2)

(3)

A、B點(diǎn)的垂直力分別為

(4)

(5)

式中:W1、W2、W3分別為地線、中相導(dǎo)線和邊相導(dǎo)線水平風(fēng)荷載;G1、G2、G3分別為地線、中相導(dǎo)線和邊相導(dǎo)線垂直荷載;h1、h2、h3分別為各相導(dǎo)線到曲臂K節(jié)點(diǎn)的垂直高度;h4為C點(diǎn)到曲臂K節(jié)點(diǎn)的垂直高度;b1、b2、b3分別為地線、中相導(dǎo)線和邊相導(dǎo)線垂荷作用線到K節(jié)點(diǎn)的垂直距離;b4為曲臂口寬的一半;M為C點(diǎn)豎向截面彎矩。

由式(2)～式(5)可知,曲臂K節(jié)點(diǎn)所受荷載大小除了與導(dǎo)地線荷載有關(guān),還與結(jié)構(gòu)尺寸、掛點(diǎn)位置息息相關(guān)。由風(fēng)荷載產(chǎn)生的A、B點(diǎn)水平力同值同向,由垂荷載產(chǎn)生的A、B點(diǎn)水平力同值反向;由垂荷載產(chǎn)生的A、B點(diǎn)垂直力同值同向,由風(fēng)荷載產(chǎn)生的A、B點(diǎn)垂直力同值反向。其中由垂荷載產(chǎn)生的水平力隨著C點(diǎn)彎矩(剛度)的增加,b1、b3的增大、b2的減小而增大,由風(fēng)荷載產(chǎn)生的垂直力隨著h1、h2、h3的增大和b4的減小而增大。

曲臂左右側(cè)K節(jié)點(diǎn)在水平力和垂直力作用下會(huì)發(fā)生相對(duì)變形現(xiàn)象,取下曲臂為隔離體(圖6),通過(guò)式(1)可計(jì)算受力相對(duì)變形值。由式(1)可知,ΔP與下曲臂桿件長(zhǎng)度、傾斜角度、主材之間夾角、水平力和垂直力大小有關(guān)。采用新型曲臂結(jié)構(gòu)后,由于下曲臂桿件長(zhǎng)度和傾斜角度減小,垂荷載產(chǎn)生的水平力增大,可顯著減小曲臂K節(jié)點(diǎn)的相對(duì)變形。以31 m/s風(fēng)、15 mm冰2型直線塔為例,典型工況下的傳統(tǒng)酒杯塔結(jié)構(gòu)和新型曲臂結(jié)構(gòu)曲臂K節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力和相對(duì)變形情況如表3所示,從表3中數(shù)據(jù)可以看出,采用新型曲臂結(jié)構(gòu)后,各工況曲臂K節(jié)點(diǎn)水平力顯著增加,受力相對(duì)變形顯著減小。

表3 曲臂K節(jié)點(diǎn)內(nèi)力和變形對(duì)比

圖6 曲臂K節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移計(jì)算模型

因此,對(duì)于大口寬的景觀塔,可以采用新型曲臂結(jié)構(gòu),以改善曲臂K節(jié)點(diǎn)的變形性能和變坡節(jié)點(diǎn)的受力性能。

3.3.3 構(gòu)造優(yōu)化

酒杯塔曲臂K節(jié)點(diǎn)一般采用雙包連接,這種處理方式曲臂K節(jié)點(diǎn)剛度較大,不利于釋放K節(jié)點(diǎn)處的變形。

ZNC33153B塔曲臂K節(jié)點(diǎn)外側(cè)下主材規(guī)格分別為Q420L200×14和Q420L200×18, 60°大風(fēng)工況下上下主材應(yīng)力比分別為0.79和0.85,為穩(wěn)定控制。在設(shè)計(jì)時(shí)取消了內(nèi)包鋼,試驗(yàn)表明,如圖7所示,曲臂K節(jié)點(diǎn)以下第一節(jié)間(24測(cè)點(diǎn))呈偏心受力狀態(tài),第二節(jié)間(25測(cè)點(diǎn))呈中心受力狀態(tài)。曲臂下主材在加載至130%時(shí)肢背才開始進(jìn)入屈服狀態(tài)(金屬材料性能試驗(yàn)表明Q420 L200×14和Q420L200×18鋼材屈服強(qiáng)度分別為434 MPa和411 MPa)。

圖7 下曲臂外主材應(yīng)力-荷載曲線

圖8為ZNC33153B塔曲臂K節(jié)點(diǎn)在極限荷載下時(shí)有、無(wú)內(nèi)包鋼情況下的有限元應(yīng)力分布對(duì)照。由圖8可知,有、無(wú)內(nèi)包鋼對(duì)節(jié)點(diǎn)傳力影響不大,內(nèi)包鋼的應(yīng)力整體處于較低水平,遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度。

圖8 曲臂K節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分布云圖

以上分析表明,曲臂K節(jié)點(diǎn)可按單包連接進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)。

3.4 攀爬設(shè)計(jì)

景觀塔設(shè)計(jì)需注意日常巡查和維護(hù)檢修的方便性和安全性,腳釘和防墜落導(dǎo)軌布置應(yīng)連續(xù),避免防墜落導(dǎo)軌出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象[18]。推薦方案(b)、方案(e)腳釘和防墜落大致可參照酒杯塔布置方案進(jìn)行布置,與常規(guī)酒杯塔不同的是,推薦方案(b)、方案(e)邊相導(dǎo)線橫擔(dān)下平面傾斜布置,為方便運(yùn)維攀爬,應(yīng)在下平面主材外側(cè)設(shè)置腳釘。

綜上,景觀塔造型設(shè)計(jì)往往會(huì)出現(xiàn)一些特殊的結(jié)構(gòu)布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式,可基于力學(xué)原理、有限元分析手段或試驗(yàn)手段,確保其安全可靠。限于篇幅,本文不再一一贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以藏區(qū)牦牛造型景觀塔為例,分析總結(jié)了景觀融合思路、造型深化設(shè)計(jì)步驟和方法,提出了多個(gè)牦牛造型景觀塔方案并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較?；谔摴υ砗驮囼?yàn)數(shù)據(jù),對(duì)酒杯塔曲臂K節(jié)點(diǎn)變形進(jìn)行了分析,并提出了一種新型曲臂結(jié)構(gòu),主要得出以下結(jié)論。

(1)景觀塔設(shè)計(jì)需結(jié)合擬建線路沿線景觀、地域文化特色和掛線方式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(2)景觀塔造型可按照確定塔型和使用條件、確定呼高范圍、確定導(dǎo)線掛線方案、確定地線掛線方案、確定塔頭布置方案、確定塔身布置方案、動(dòng)力特性分析等進(jìn)行深化設(shè)計(jì),經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選用綜合最優(yōu)方案。

(3)傳統(tǒng)的酒杯塔結(jié)構(gòu)曲臂K節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生向外鼓曲的相對(duì)變形,變坡節(jié)點(diǎn)偏心受力嚴(yán)重。經(jīng)計(jì)算分析,K節(jié)點(diǎn)變形值除了受螺栓滑移和結(jié)構(gòu)受力影響,孔壁變形、加載時(shí)程等其余因素對(duì)變形值也有一定影響。

(4)采用新型曲臂結(jié)構(gòu)可顯著減小曲臂K節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)受力和螺栓滑移變形值,并避免變坡節(jié)點(diǎn)正側(cè)面受力不均問題,有利于提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

(5)分析表明曲臂K節(jié)點(diǎn)內(nèi)包鋼受力較小,可按單包連接進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)。