淺析鋼管桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝東進(jìn)

摘 要：在城市現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)中，輸電線路是保障城市電力設(shè)施運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備。在高壓輸電線路中，鋼管桿起到一個(gè)支撐電網(wǎng)線路的作用，優(yōu)化鋼管桿設(shè)計(jì)，對(duì)人們的生活用電尤為重要。該文主要分析了鋼管桿結(jié)構(gòu)各方面的優(yōu)點(diǎn)和參數(shù)，對(duì)鋼管桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。為了加快城市電網(wǎng)的建設(shè)，必須全方面地優(yōu)化高壓線路鋼管桿的設(shè)計(jì)，做到節(jié)約材料、科學(xué)先進(jìn)、降低能源成本。

關(guān)鍵詞：鋼管桿 撓度 結(jié)構(gòu) 優(yōu)化 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（b）-0032-02

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)的輸電線路也在不斷發(fā)展，各種現(xiàn)代化電器逐漸出現(xiàn)，人們?cè)谏a(chǎn)生活中越來(lái)越離不開電能，對(duì)電力的質(zhì)量和需求量逐漸提高。輸電線路鋼管桿作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅影響著電能的輸入和輸出，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的角鋼塔體積龐大，占地面積廣，但是現(xiàn)代化城市征地緊張，這種角鋼塔不符合現(xiàn)代化城市建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，很多城市開始采用鋼管桿，鋼管桿強(qiáng)度比較大，體積比較下，安裝使用方便。但是其造價(jià)比較昂貴，必須優(yōu)化鋼管桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮小成本，多方面考慮綜合因素，分析鋼管桿結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)，保障鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性。

1 高壓架空輸電線路和鋼管桿的概述

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，高壓架空輸電線路是主要部分，其中包括了桿塔、桿塔基礎(chǔ)、電纜、導(dǎo)地線等，施工難度比較大。需要計(jì)算出電纜、導(dǎo)線和桿塔之間的安全距離，桿塔起到支撐導(dǎo)線的作用，保障地面和導(dǎo)線以及相間之間的安全距離。桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是否科學(xué)合理，直接影響到電網(wǎng)的安全性、可靠性。建設(shè)輸電網(wǎng)絡(luò)的效率、成本、運(yùn)行和后期維護(hù)都與桿塔結(jié)構(gòu)存在主要的聯(lián)系，所以在設(shè)計(jì)桿塔結(jié)構(gòu)時(shí)，必須綜合考慮輸電線路的安全性和經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇桿塔。

鋼管桿是目前輸電線路桿塔中常用的材料，其根據(jù)截面形式分為環(huán)形、多邊形兩種。環(huán)形的鋼管桿可以相互套接，在安裝成桿塔時(shí)，可以分段進(jìn)行焊接，但是焊接的接頭防腐蝕能力比較差。多邊形的鋼管桿可以在幾段之間套接，可以分段進(jìn)行鍍鋅熱浸工藝，防腐蝕的能力非常好，而且在現(xiàn)場(chǎng)安裝起來(lái)簡(jiǎn)單、方便。環(huán)形鋼管桿和多邊形鋼管桿在外線上進(jìn)行對(duì)比，可以看出，多邊形鋼管桿的造型比較美觀，尺寸和結(jié)構(gòu)比較勻稱，線條優(yōu)美，所以在鋼管桿的實(shí)際使用中經(jīng)常運(yùn)用多邊形的鋼管桿。

2 鋼管桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

在高壓架空輸電線路中運(yùn)用鋼管桿結(jié)構(gòu)，柔韌性比較好，在大風(fēng)的作用下能夠保障電力的穩(wěn)定輸送。鋼管桿結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的角鋼塔相對(duì)比，具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用安裝方便

無(wú)論單回路、雙回路或多回路的鋼管桿，按其用途可分為直線桿、轉(zhuǎn)角桿、耐張桿、終端桿、分支桿等。各類型的鋼管桿均可在現(xiàn)場(chǎng)安裝，比鐵塔簡(jiǎn)單方便，在鋼管桿組立施工時(shí)，可以采用分件的形式，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，減少了安裝的步驟。傳統(tǒng)的角鋼塔需要進(jìn)行鐵塔地基處理工作，需要進(jìn)行前期一系列的準(zhǔn)備工作，鋼管桿的安裝縮小了工程步驟，提高了安裝效率。

2.2 體積小、占地面積少

隨著城市建設(shè)速度的加快，各種高樓拔地而起，對(duì)城市土地的需求越來(lái)越大，為了減少土地使用量，在輸電線路建設(shè)時(shí)，將更多地把桿塔建設(shè)在綠化地帶和道路邊緣。但是傳統(tǒng)的角鋼塔占地面積大，一般的道路邊緣和綠化地帶無(wú)法滿足角鋼塔的占地面積大的要求。鋼管桿的體積小，不需要大面積的地基，占地面積少，可以在道路邊緣和綠化地帶安裝，同時(shí)搬遷簡(jiǎn)單，易拆卸，滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的需要。

2.3 符合城市的美觀要求

現(xiàn)代化城市的發(fā)展進(jìn)步，人們逐漸關(guān)注城市建筑物的面容，能夠從城市建筑物上看出整個(gè)城市的文化涵養(yǎng)和精神風(fēng)貌。鋼管桿整體造型新穎、美觀大方，集輸電與美化環(huán)境于一體，結(jié)構(gòu)和尺寸比較勻稱、線條優(yōu)美。鋼管桿結(jié)構(gòu)保持一種現(xiàn)代高科技的感覺，能夠讓人眼前一亮，吸引人們的注意，提高城市的整體形象。

3 優(yōu)化鋼管桿結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

3.1 鋼管桿的主截面形狀

目前，最常用的鋼管桿截面形式為多邊形和環(huán)形，雖然環(huán)形截面的鋼管桿慣性矩最大，能夠平均分配受力，但是其焊接加工存在問(wèn)題，防腐蝕能力不足，所以在輸電桿塔中經(jīng)常使用多邊形鋼管桿。針對(duì)該院在廣東地區(qū)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在鋼管桿設(shè)計(jì)時(shí)，電壓為35 kV及以上時(shí)，采用十二邊形的鋼管桿。電壓荷載越高，鋼管桿越趨近于環(huán)形。多邊形的邊數(shù)受電壓的影響，荷載越大，邊數(shù)越多的鋼管桿受力越好，所以需要優(yōu)化鋼管桿的截面邊數(shù)，設(shè)計(jì)合理的加工工藝。

3.2 鋼管桿的撓度

鋼管桿的受力特點(diǎn)與一般的自立式鐵塔不同，它是通過(guò)鋼管桿桿身的偏心彎矩將上部荷載傳到基礎(chǔ)，而且鋼管桿底部的外徑比鐵塔的根開小得多，因此鋼管桿具有較大的柔度。在《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5130-2001）中，對(duì)鋼管桿的變形限制比自立式鐵塔寬松得多。在荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下，直線桿的最大撓度為不大于桿身高度的5/1 000，直線轉(zhuǎn)角桿的最大撓度為不大于桿身高度的7/1 000，轉(zhuǎn)角和終端桿：66 kV及以下的電壓等級(jí)最大撓度為不大于桿身高度的15/1 000，110～220 kV電壓等級(jí)最大撓度為不大于桿身高度的20/1 000。在設(shè)計(jì)鋼管桿結(jié)構(gòu)時(shí)，需要以撓度對(duì)鋼管桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。如果只關(guān)注鋼管桿的強(qiáng)度，當(dāng)運(yùn)行時(shí)鋼管桿的撓度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的美觀，但是撓度滿足結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，那么鋼管桿的強(qiáng)度會(huì)超標(biāo)。所以在安裝鋼管桿時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取措施降低鋼管桿撓度，主要有兩種方法：一是在加工時(shí)預(yù)測(cè)出鋼管桿的彎度，這種方法產(chǎn)生的效果非常好，但是難以預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。二是在加工時(shí)預(yù)偏，這種方法操作簡(jiǎn)單，但是效果不佳，很容易造成變形，溫度等因素的影響也會(huì)造成撓度值預(yù)測(cè)不準(zhǔn)。

3.3 主桿的坡度

桿塔的負(fù)荷大小決定了主桿的坡度，當(dāng)鋼管桿受到較大的負(fù)荷時(shí)，包絡(luò)圖的彎矩斜率就會(huì)越大，主桿的坡度就要更大，從而保障鋼管桿能夠承受負(fù)荷力。 但是受到撓度控制的限制，主桿的稍徑不能太小，但是主桿的坡度增大后必然會(huì)造成主桿的根徑增大，對(duì)鋼管桿結(jié)構(gòu)的美觀存在嚴(yán)重影響，同時(shí)浪費(fèi)了材料。所以在選擇主桿梢徑和坡度時(shí)，要嚴(yán)格控制好鋼管桿的使用量。在優(yōu)化鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮不同荷載環(huán)境下，主桿的梢徑、坡度和根徑，精細(xì)計(jì)算重量，節(jié)約鋼材用量，最大限度地保障鋼管桿的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)出主桿坡度的最佳優(yōu)化方案。

3.4 桿身的分段長(zhǎng)度

鋼管桿的桿身壁厚在不斷變化，所以要分為幾段，但是受到鍍鋅熱浸工藝、運(yùn)輸、模壓等條件的影響，所以桿身的分段長(zhǎng)度必須控制在10 m左右，當(dāng)鋼管桿的壁厚變大時(shí)，就應(yīng)該按照加工設(shè)備的能力適當(dāng)縮少每段的長(zhǎng)度，否則會(huì)影響鋼管桿的壓制成型。設(shè)計(jì)科學(xué)合理的鋼管桿分段長(zhǎng)度，能夠減小鋼管桿的應(yīng)力作用，提高每段桿身的使用效率。

4 鋼管桿結(jié)構(gòu)在高壓架空輸電線路中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

鋼管桿結(jié)構(gòu)主要為了給高壓架空輸電線路而服務(wù)的，所以必須在滿足輸電線路荷載和安全的條件下，優(yōu)化鋼管桿結(jié)構(gòu)，應(yīng)該從多方面來(lái)考慮，提高鋼管桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（1）在設(shè)計(jì)鋼管桿時(shí)，應(yīng)該考慮到氣象條件影響，可以根據(jù)附近輸電線路的運(yùn)行情況分析，根據(jù)研究表明，鋼管桿的壽命很大程度取決于它所處環(huán)境的大氣質(zhì)量。鋼管桿在投入使用后長(zhǎng)期暴露在大氣中，且使用期限長(zhǎng)，防腐是一個(gè)必須認(rèn)真考慮、認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。

（2）現(xiàn)階段鋼管桿的鋼材一般采用Q235，Q345，強(qiáng)度不大。回路比較多，承受荷載比較大時(shí)，導(dǎo)地線復(fù)雜的桿塔，可以采用高強(qiáng)鋼管材料，不僅提高了桿塔的強(qiáng)度，同時(shí)降低了材料使用量，節(jié)約成本。

（3）合理設(shè)計(jì)桿塔結(jié)構(gòu)，回路比較少的桿塔，可以采用多邊形桿。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高壓架空輸電線路中鋼管桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，在鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要綜合考慮各個(gè)參數(shù)，才能保障鋼管桿的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要引進(jìn)更加先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，才能使鋼管桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行得更好。

參考文獻(xiàn)

[1] 張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電子出版社，2003.

[2] DL/T5130 2001，架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].2001.