500 kV新崖門大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王振華，金曉華，何天勝

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市，510663）

0 引言

臺(tái)山核電一期至圭峰和桂山2條雙回路送電線路中崖門水道段新大跨越輸電線路，導(dǎo)線型號為2×KTACSR/EST-1000，導(dǎo)線直徑35.7 mm，其跨越塔設(shè)計(jì)風(fēng)速為45 m/s，按無覆冰設(shè)計(jì)。崖門水道新大跨越輸電塔為鋼管結(jié)構(gòu)，主材最大規(guī)格φ1 727 mm×30 mm。大跨越輸電塔由塔身主體、地線橫擔(dān)、上下導(dǎo)線橫擔(dān)、中間電梯井筒（包括井筒外旋轉(zhuǎn)樓梯）和休息平臺(tái)及走道構(gòu)成。

新大跨越輸電塔全高232.5 m，呼稱高為200 m，上層橫擔(dān)高為222 m，塔頭寬5 m，根開52 m。大跨越輸電塔中間設(shè)有封閉式電梯井筒，井筒直徑1.9 m，另外設(shè)有5層休息平臺(tái)，休息平臺(tái)的高度分別為30，90，158，200和222 m。

大跨越輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、動(dòng)力特性、風(fēng)振系數(shù)以及關(guān)鍵位置的細(xì)部設(shè)計(jì)是大跨越工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1-2]，本文針對以上幾個(gè)方面的問題對500 kV新崖門大跨越輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

1 靜力分析

采用東北電力設(shè)計(jì)院編制的“自立式鐵塔內(nèi)力分析軟件IGT2.0”對大跨越輸電塔進(jìn)行整體有限元計(jì)算和選材，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1?？紤]到鋼管構(gòu)件的橫風(fēng)共振影響，對桿件的允許長細(xì)比進(jìn)行了限制，主材為120，輔材為150，塔腿斜材為120。輔材不參與鐵塔整體受力，因此鐵塔整體建模不包括輔助材，輔材的承載力按照所支撐主材內(nèi)力的2%進(jìn)行計(jì)算。除導(dǎo)地線掛點(diǎn)處采用角鋼外，全塔均選用鋼管，選用Q345B鋼材。

將電梯井筒的風(fēng)荷載按照等效節(jié)點(diǎn)荷載施加到井筒與橫隔面的支撐處，電梯井筒的等效風(fēng)荷載按式（1）計(jì)算：

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)，按照本文第3節(jié)計(jì)算結(jié)果相同高度處的塔身風(fēng)振系數(shù)取值；μs為體型系數(shù)，取0.8；μz為高度系數(shù)，按分段平均高度取值；w0為基本風(fēng)壓，按風(fēng)速45 m/s進(jìn)行計(jì)算。

參考國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[3-4]，考慮鋼管局部屈曲，對鋼管截面進(jìn)行分類，按照表1對輸電塔主材軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行折減。

表1 鋼管主材軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折減Tab.1 Design value reduction of axial compressive strength of main members

2 動(dòng)力特性分析

新、舊崖門大跨越輸電塔外形如圖1所示，新塔全高232.5 m，原塔全高230.5 m。針對輸電塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，塔身和橫擔(dān)的主材采用空間梁單元，而其他桿件如塔身和橫擔(dān)的斜材則采用桿單元[5-10]。

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對大跨越輸電塔進(jìn)行模態(tài)分析，梁單元采用Beam4單元，桿單元采用Link8單元。以有限元理論為基礎(chǔ)，結(jié)合鋼管塔中鋼管構(gòu)件的實(shí)際受力特點(diǎn)和連接形式，建立了單塔的無電梯井筒與有電梯井筒的有限元計(jì)算模型，有限元模型如圖2所示。

表2為大跨越輸電塔無電梯井筒與有電梯井筒時(shí)的前10階振型及頻率。無電梯井筒與有電梯井筒相比，前10階振型相同，后者彎曲振型頻率略低于前者，兩者扭轉(zhuǎn)振型頻率幾乎相同。由振型及頻率計(jì)算結(jié)果可以看出，電梯井筒降低了輸電塔的側(cè)向剛度，但是對其影響相對較小。

大跨越輸電塔的第一周期為1.342 s（無電梯井筒）和1.437 s（有電梯井筒）；按文獻(xiàn)[7]的大跨越鋼管塔的第一周期經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為1.047 s；文獻(xiàn)[8]對文獻(xiàn)[7]大跨越鋼管塔的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正改進(jìn)，按文獻(xiàn)[8]計(jì)算結(jié)果為1.201 s。計(jì)算結(jié)果之間的差異主要是由于輸電塔高度和結(jié)構(gòu)自身附加質(zhì)量大小不同的原因所產(chǎn)生。

表2 大跨越輸電塔無電梯井與有電梯井的振型及頻率Tab.Tab.2 2 Vibrating mode and frequency of large-span transmission tower with and without electric elevators

原崖門大跨越輸電塔導(dǎo)線型號為1×KTACSR/EST-720，高度為230.5 m，呼高為200 m，其第一周期為1.570 s。本工程新大跨越輸電塔剛度大于原大跨越輸電塔，主要是由于新大跨越輸電塔塔頭和根開均大于原大跨越輸電塔，并增加了橫隔面數(shù)量，使大跨越輸電塔整體剛度得到了提高。

3 風(fēng)振系數(shù)計(jì)算

按照GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算大跨越輸電塔的風(fēng)振系數(shù)[11-12]，其計(jì)算公式為

式中：ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)；ν為脈動(dòng)影響系數(shù)；φz為振型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

表3為風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果，其結(jié)果已經(jīng)按照高度加權(quán)平均值為1.6進(jìn)行了處理。由表3可以看出，風(fēng)振系數(shù)由上到下逐漸減小，塔頂處為2.2，塔腿處為1.3。

表3 大跨越輸電塔風(fēng)振系數(shù)TTaabb.. 33 Wind vibration coefficient ooff large-span transmission tower

4 細(xì)部設(shè)計(jì)

圖3為塔身斜材連接形式，斜材與斜材之間采用相貫連接，斜材與塔身主材之間采用十字插板連接。圖4為塔腿斜材連接形式，塔腿斜材與橫隔面橫材采用相貫連接。

圖5為塔腿地腳螺栓連接形式，塔腿地腳螺栓采用內(nèi)外法蘭連接。選用48個(gè)M72螺栓，材料為45號鋼，其中內(nèi)圈20個(gè)，外圈28個(gè)，內(nèi)外螺栓承載力分配比約為0.42∶0.58?？紤]到內(nèi)外圈地腳螺栓受力的差異性，單個(gè)地腳螺栓承載力乘以不均勻系數(shù)1.1。

圖6為井筒與橫隔面的連接示意圖，井筒與橫隔面采用單插連接，橫隔面橫材與塔身主材采用法蘭連接，其他橫隔面斜材均采用單插連接。

圖7為休息平臺(tái)布置形式，電梯井筒外圈設(shè)有休息平臺(tái)，檢修和參觀人員從電梯出來后通過休息平臺(tái)與走道相連，休息平臺(tái)護(hù)欄做法同走道。沿橫隔面斜材設(shè)有1圈走道，走道1寬0.6 m，走道2寬0.5 m。

圖7 休息平臺(tái)布置形式Fig.Fig.7 Layout of rest platform

大跨越輸電塔的走道設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足安全和功能要求外，還應(yīng)滿足舒適性要求。圖8為走道詳圖，走道每隔2 m設(shè)側(cè)向支撐。護(hù)欄由上到下設(shè)置4道欄桿，其間隔分別為0.35，0.35，0.3和0.2 m。走道踏板采用規(guī)格為L30×3的角鋼焊接在L50×4的角鋼上，其中角鋼L30×3間隔為80 mm。走道踏板通過螺栓與槽鋼連接，然后通過角鋼與橫擔(dān)或橫隔面斜材上的支托板進(jìn)行螺栓連接。

5 結(jié)論

（4）介紹了大跨越輸電塔一些關(guān)鍵位置的細(xì)部設(shè)計(jì)，可供大跨越輸電塔設(shè)計(jì)參考。

（1）借鑒國外鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和國內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹了500 kV新崖門大跨越輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，給出了大跨越輸電塔鋼管主材軸壓強(qiáng)度折減方法，該方法結(jié)構(gòu)上合理、經(jīng)濟(jì)上不保守，而又規(guī)避了鋼管局部屈曲的問題。

（2）比較了大跨越輸電塔無電梯井筒與有電梯井筒時(shí)的動(dòng)力特性。無電梯井筒與有電梯井筒相比，在前10階振型中，后者彎曲振型頻率低于前者，兩者扭轉(zhuǎn)振型頻率非常接近。相比原崖門大跨越輸電塔，新崖門大跨越輸電塔增加了橫隔面布置數(shù)量，增加塔頭和根開尺寸，使大跨越整體剛度得到提高。

（3）計(jì)算了大跨越輸電塔的風(fēng)振系數(shù)，風(fēng)振系數(shù)由上到下逐漸減小，保證大跨越輸電塔風(fēng)振系數(shù)按高度加權(quán)平均值為1.6時(shí)，塔頂處為2.2，塔腿處為1.3。

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