架空輸電線路桿塔結構優(yōu)化設計

摘要：架空輸電線路桿塔結構的設計質(zhì)量與電網(wǎng)線路的經(jīng)濟性、可靠性存在著較為密切的聯(lián)系，更會對電網(wǎng)的安全運行造成較大的影響。架空輸電線路桿塔結構要基于不同的海拔高度來進行設計，主要原因在于桿塔的電氣間隙會受到海拔高度的影響，從而會對桿塔的耗鋼量造成較為嚴重的影響。文章首先分析了架空輸電線路桿塔設計面臨的主要問題，其次就架空輸電線路桿塔結構的優(yōu)化設計方法進行了探討，具有一定的參考價值。

關鍵詞：架空輸電線路；桿塔結構；優(yōu)化設計；電網(wǎng)；電氣間隙 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM753 文章編號：1009-2374（2015）01-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0018

1 架空輸電線路桿塔設計面臨的主要問題

1.1 桿塔結構型式的選擇

在對架空輸電線路桿塔結構型式進行選擇時，應對其經(jīng)濟效益進行充分考慮。通常來說，拉線塔是目前被國內(nèi)外公認最具有經(jīng)濟效益的架空輸電線路桿塔結構型式，但是拉線塔不適用于山區(qū)，多采用自立式鐵塔代替。我國目前多以拉線塔為主要的桿塔結構型式，以自立式鐵塔為輔。拉線塔具有多種形式：一是絕緣支持式桿塔，但其成本投入較大、制造難度較高，應用較少；二是拉線-拉索桿塔，其最大的優(yōu)點在于能夠緊湊線路、有效縮小相間距離，特別適合用于特高壓線路工程，最早用于美國、加拿大等國家，但其缺點就在于桿塔的占地面積較寬；三是拉V塔，廣泛應用于超高壓線路中。而常規(guī)自立式鐵塔也分為雙回供架鐵塔、單回線路自立式鐵塔兩大類，但由于機械強度很高，故很容易出現(xiàn)故障。

1.2 桿塔強度問題

桿塔強度通常會受到桿塔制造材料、受力形式及結構形式等多種因素影響。為了能夠讓輸電線路持續(xù)、穩(wěn)定、正常地給廣大用戶供電，那么桿塔的強度和剛度也必須滿足相關要求。我國輸電線路多采用環(huán)形截面混凝土構件，主要原因在于環(huán)形截面混凝土構件的施工質(zhì)量優(yōu)良、用料節(jié)約、混凝土強度較高。值得注意的是，務必要先進行鋼筋張拉處理，而后再澆注預應力構件，這樣能夠延長桿塔的穩(wěn)定性和使用壽命。

2 架空輸電線路桿塔結構的優(yōu)化設計方法

第一，架空輸電線路桿塔結構要基于不同的海拔高度來進行設計，主要原因在于桿塔的電氣間隙會受到海拔高度的影響，從而會對桿塔的耗鋼量造成較為嚴重的影響。同時，要對直線鐵塔的掛線方式進行優(yōu)化，將塔頭尺寸盡量減小?；趥鹘y(tǒng)設計經(jīng)驗來看，中相V串懸掛方式適用于超高壓直線塔，能夠通過減小塔窗尺寸來降低鐵塔耗鋼量。值得注意的是，要基于不同的氣象條件、不同的塔型、不同的導線來合理選擇是否采用邊相V串懸掛方式。

第二，要對桿塔曲臂K節(jié)點形式進行優(yōu)化，單回路桿塔多采用直曲臂形式，構造簡單、K節(jié)點受力好、曲臂主材受力簡潔，但塔頭尺寸較大、塔重較重，針對這種情況，可采用彎折曲臂形式，這樣就能夠減小塔頭尺寸，使塔重變得更加經(jīng)濟、合理。

第三，對塔身坡度和塔根開尺寸進行優(yōu)化，塔身坡度和塔根開尺寸會對塔身斜材、主材的規(guī)格造成直接影響，也會影響到桿塔的美觀度及重量。合理的塔身坡度可以讓塔材受力均勻，也能夠讓材料規(guī)格的變化與塔材應力分布的變化相協(xié)調(diào)。最佳的坡度和根開可以整基鐵塔的重量為目標函數(shù)，對基礎作用力和構件受力性能進行綜合考慮來最終選取。

第四，優(yōu)化斜材布置原則：（1）為了讓腹桿受力變得更合理，可將腹桿的水平角控制在35°～45°之間；（2）為了防止腹桿出現(xiàn)同時受壓的情況，可在隔面處設置K形腹桿，或?qū)λ砀裘骈g交叉腹桿數(shù)量進行優(yōu)化；（3）務必要使斜材布置簡潔、傳力路線清晰、塔身布材均勻協(xié)調(diào)，以便能夠合理分配主、斜材受力情況；（4）對斜材的坡度、長度進行優(yōu)化，比較最小軸、平行軸等多種布置方案，篩選小交叉、大交叉，以便能夠最大限度地降低塔重。

第五，對節(jié)點構造進行優(yōu)化，節(jié)點構造是架空輸電線路桿塔結構優(yōu)化設計的主要環(huán)節(jié)之一，若不能合理構造節(jié)點就有可能會造成架空輸電線路桿塔破壞。通過優(yōu)化節(jié)點構造設計，應該盡量使計算模式與實際塔型相互統(tǒng)一，并在滿足構造要求的前提下將節(jié)點盡量簡化，這樣既能夠降低塔重，又可以防止出現(xiàn)次應力。節(jié)點構造設計主要遵循下列原則：（1）為了減小桿件斷面損失，應該要盡量避免出現(xiàn)兩面連接桿件對孔布置的情況；（2）要盡量防止出現(xiàn)節(jié)點板受彎、桿件偏心連接的情況；（3）要盡量節(jié)點板面積，要緊湊式地連接節(jié)點；（4）為了降低桿塔重量，應該要減少包角鋼連接數(shù)量；（5）應該多用多排螺栓來布置斜材、主材；（6）全方位長短腿設計適用于山區(qū)架空輸電線路桿塔，不僅能夠較好地保護自然環(huán)境，而且還能夠降低施工難度、縮短工期、減少土石方工程量。

第六，架空輸電線路桿塔可以采用圓截面鋼管，不僅能夠提高結構的穩(wěn)定性、減小桿件長度，還能夠減小塔身風載荷，主要由于圓截面鋼管的截面抗彎剛度大、受力各向同性、空氣動力學性能好。圓截面鋼管尤其適合用于桿件較長、幾何尺寸較大的大型架空輸電線路

桿塔。

第七，塔頭坡度的優(yōu)化。對于頭部塔身而言，為了保證剛度要求和上下主材匹配，在規(guī)劃的過程中坡度務必要合適。但除了規(guī)劃頭部塔身外，還應該考慮頭部連接、頭部橫擔主材與塔身主材之間的相互協(xié)調(diào)等問題。從目前來看，常用的兩種模式分別是梯形塔身模式和直塔身模式。梯形塔身模式抗扭能力強，能夠較好地對其進行協(xié)調(diào)，同時，變坡處上下段塔身主材規(guī)格接近。而直塔身模式較好布置電氣間隙、加工方便、塔身還能夠與下橫擔形成相互連接的垂直型式或角鋼。

第八，優(yōu)化塔身坡度。當塔身上口寬一定時，鐵塔斜材與塔身坡度呈正比，若塔身坡度越大，那么鐵塔斜材就越短，同時，斜材重量會增加，斜材受力也會增加，但是鐵塔的主材規(guī)格就會越大，鐵塔主材內(nèi)力也會進一步加大。塔身坡度的大小也會對征地范圍和基礎作用力的大小造成直接影響，基礎作用力會隨著塔身坡度的增大而變小，基礎作用力會隨著塔身坡度的變小而增大，由此可見，架空輸電線路桿塔結構優(yōu)化設計的關鍵就在于確定合適的塔身坡度。每一個具體的鐵塔都會有一個最佳的鐵塔重量。工程設計經(jīng)驗表明，塔重會受到塔身坡度的直接影響，而塔重卻很少會受到塔身上口寬的影響。所以，對于架空輸電線路桿塔而言，在滿足變形要求和橫擔構造要求的前提下，不宜選擇過大的塔身上口寬，若塔身上口寬選擇過大會增加架空輸電線路桿塔的塔重，使輔助材的耗量得以大幅度增加。而選取的坡度也應該在基礎作用力、塔重相差不大的情況下，盡量取小的坡度，這樣一來，無疑有利于環(huán)境保護，也能夠減小征地范圍。

3 結語

對于架空高壓輸電線路而言，架空輸電線路的桿塔結構是其重要的組成部分。架空輸電線路桿塔結構的設計質(zhì)量與電網(wǎng)線路的經(jīng)濟性、可靠性存在著較為密切的聯(lián)系，更會對電網(wǎng)的安全運行造成較大的影響，具有極為重要的作用。

總之，要因地制宜、因時制宜地優(yōu)化架空輸電線路桿塔結構，能夠較好地提高桿塔結構的可靠性、穩(wěn)定性、科學性，確保電力安全運行。

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作者簡介：楊茜（1978—），女，廣西人，柳州電力勘察設計有限公司助理工程師，研究方向：輸電線路結構設計。

（責任編輯：秦遜玉）endprint