輸電線(xiàn)路桿塔塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

張 斌

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原030001）

1 塔身、塔腿坡度優(yōu)化

雙回路傘型塔的塔頭立柱（塔頭段塔身）呈錐型布置［1］，變形協(xié)調(diào)，受力合理、外形美觀。但坡度優(yōu)化易受電氣間隙圓控制，導(dǎo)致橫擔(dān)長(zhǎng)度的改變而影響整個(gè)塔頭幾何尺寸的變化。塔頭以下塔身段的優(yōu)化，同樣也會(huì)影響塔腿根開(kāi)和基礎(chǔ)作用力的變化，甚至影響到基礎(chǔ)的耗量和造價(jià)。因此，對(duì)塔頭立柱和塔身的坡度優(yōu)化解需綜合優(yōu)選對(duì)比。

塔頭立柱和塔身坡度受塔頭頂部開(kāi)口、變坡口寬度和塔腿根開(kāi)控制。塔身變坡口寬度值的大小不僅將同時(shí)影響塔頭立柱與塔身結(jié)構(gòu)，此外還可能受電氣間隙圓的影響，導(dǎo)致下橫擔(dān)長(zhǎng)度發(fā)生變化。則令變坡口寬度以電氣間隙圓受控寬度為定值，分別對(duì)塔頭立柱和塔身坡度進(jìn)行優(yōu)化，其均存在一優(yōu)化解。結(jié)果如下：

2.1 塔頭立柱坡度優(yōu)化

以變坡口寬度為定值。塔頭立柱頂部開(kāi)口為變量，選擇下表5個(gè)方案。

表1

以上計(jì)算表明：塔頭頂部開(kāi)口寬度取4.0米最為經(jīng)濟(jì)。

2.2 塔腿根開(kāi)優(yōu)化

塔腿坡度優(yōu)化如表2所示（單位：m）：

表1

注：表中電算重量系Q235、Q345材質(zhì)構(gòu)件組成。

根據(jù)表中優(yōu)化結(jié)果：變坡口開(kāi)口取6.7m；塔身單側(cè)坡度取0.11時(shí)，塔材耗量適中，且基礎(chǔ)作用力比較合適。

2 塔身布置優(yōu)化

2.1 塔身節(jié)間布置優(yōu)化

塔身段主材節(jié)間長(zhǎng)度布置是否合理要看主材能否充分發(fā)揮其材料特性。因?yàn)槌休d能力與主材的長(zhǎng)度、截面面積及材料屈服點(diǎn)有關(guān)。當(dāng)主材由強(qiáng)度控制時(shí)，主材選取的截面面積（規(guī)格）與其所承擔(dān)的內(nèi)力成正比，內(nèi)力愈大，選取截面面積愈大。當(dāng)主材由穩(wěn)定控制時(shí)，主材規(guī)格的選取則不僅與其所承擔(dān)的內(nèi)力有關(guān)，還與主材本身的長(zhǎng)度有關(guān)，內(nèi)力不變時(shí)，構(gòu)件的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所需規(guī)格越大；而長(zhǎng)度不變時(shí)，內(nèi)力越大，所需規(guī)格也越大。因此，當(dāng)外荷載一定時(shí)，構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度確定合適與否會(huì)嚴(yán)重影響其截面的選擇，直接影響塔重。

最佳的主材計(jì)算長(zhǎng)度就是主材的強(qiáng)度與穩(wěn)定相當(dāng)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度（即臨界長(zhǎng)度）。鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度越大則臨界長(zhǎng)度越小，即Q420鋼種比Q345鋼種的臨界長(zhǎng)度要小。角鋼肢寬在140～160的主材，當(dāng)采用Q345時(shí)，最小軸布置的計(jì)算長(zhǎng)度取 1.3～1.4m 最合適，而當(dāng)采用 Q420時(shí)，最小軸布置的計(jì)算長(zhǎng)度取1.2～1.25m最合適；對(duì)于角鋼肢寬在 180～200的主材，當(dāng)采用Q345時(shí)，最小軸布置的計(jì)算長(zhǎng)度取1.6～1.65m最合適，而當(dāng)采用Q420時(shí)，最小軸布置的計(jì)算長(zhǎng)度取 1.45～1.50m 最合適。

節(jié)間長(zhǎng)度的確定還受塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制約，同時(shí)應(yīng)考慮到節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)斜材、輔助材的影響以及腹桿布置形式對(duì)主材的內(nèi)力影響。通過(guò)采取以設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，塔身段采用三個(gè)對(duì)比方案如下：

第一、第二方案節(jié)間數(shù)相等，基本相似。第一方案頂部和底部節(jié)間采用K型和倒K型布置，減少了橫隔與塔身匯交點(diǎn)桿件；第二方案底倒K型布置，橫隔面布置位置比第一方案靠下；第三方案系大節(jié)間布置方案，斜材數(shù)量較少，但桿件長(zhǎng)、規(guī)格大。三方案對(duì)塔材耗量的影響見(jiàn)表3所示：

表3

經(jīng)節(jié)間優(yōu)化和斜材布置對(duì)比。本塔塔身段節(jié)間組合采用方案1，節(jié)間不等長(zhǎng)布置，結(jié)構(gòu)布局較合理、塔材耗量最輕，便于各呼稱(chēng)高塔身、塔腿段銜接。

可見(jiàn)雖然很難理想地使主材長(zhǎng)度達(dá)到按穩(wěn)定計(jì)算的承載力等于按強(qiáng)度計(jì)算的承載力，但利用此長(zhǎng)度作為擬定節(jié)間長(zhǎng)度的參考值，通過(guò)對(duì)桿件布置形式、節(jié)間長(zhǎng)度的進(jìn)一步優(yōu)化，是能夠降低部分塔重的。

2.2 塔身斜材、輔助材布置優(yōu)化

塔身主要受力斜材約占塔身部分重量的50%，占全塔總重的30%左右。塔身斜材的布置是否合適，直接影響到塔重和工程造價(jià)。

塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正K型”、“倒K型”等布置，單一的交叉布置型式容易使斜材產(chǎn)生同時(shí)受壓，幾種方式組合布置可以避免同時(shí)受壓的發(fā)生，使斜材受力成為拉壓系統(tǒng)，充分利用拉壓系統(tǒng)的受力特性，可減小斜材規(guī)格，降低塔重。常用的塔身交叉斜材布置方式有單分式（如圖1的型式一）和再分式（如圖1的型式二～型式四）：

圖1 布置型式圖

無(wú)論采取哪種斜材布置方式，最主要的問(wèn)題就是斜材與水平面的夾角α的大小，α的大小直接決定了斜材的受力大小，α越大，斜材抗外荷載的力距越小，斜材受力就越大，斜材規(guī)格也越大；反之，α越小，斜材抗外荷載的力距則越大，斜材受力就越小，斜材規(guī)格也越小，但斜材數(shù)量就越多。根據(jù)±800kV線(xiàn)路荷載及計(jì)算情況，并結(jié)合500kV線(xiàn)路鐵塔斜材布置的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)斜材與水平面的夾角α控制在 35°～45°之間時(shí)，塔重最輕。

3 桿塔塔身隔面優(yōu)化

在桿塔設(shè)計(jì)中合理的設(shè)置塔身橫隔面，可有效地增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，傳遞由結(jié)構(gòu)上部外荷產(chǎn)生的扭力，同時(shí)能具有一定的均勻塔身構(gòu)件內(nèi)力的作用，降低塔重。一般，對(duì)于塔身變坡處，集中荷載受力處等位置必須設(shè)置受力隔面。

隔面的型式通過(guò)以往工程的經(jīng)驗(yàn)積累和不斷優(yōu)化，許多已經(jīng)成為了典型隔面型式（見(jiàn)圖2）。

根據(jù)《架空送電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［2］（DL/T5154-2012）第10章“構(gòu)造要求”規(guī)定，對(duì)于塔身坡度不變段內(nèi)，“橫隔面設(shè)置的間距，一般不大于平均寬度（寬面）的5倍，也不宜大于4個(gè)主材分段”。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和工程的特點(diǎn)，隔面設(shè)置不宜間隔太大，為加強(qiáng)塔身抗扭的能力，宜按照3個(gè)主材分段長(zhǎng)度設(shè)置一個(gè)隔面，以保持結(jié)構(gòu)的外型尺寸不出現(xiàn)鼓突的情況。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橫隔面型式的優(yōu)化配置的原則是：對(duì)鋼管塔或角鋼塔頭部或塔身截面尺寸較小的部位，主要采用（a）、（b）、（c）及（d）型式，對(duì)于塔身截面尺寸較大的部位則主要采用（e）、（f）及（g）型式。

圖2 常見(jiàn)隔面型式圖

4 長(zhǎng)短腿配置優(yōu)化

采用長(zhǎng)短腿設(shè)計(jì)是保護(hù)線(xiàn)路環(huán)境的最有效手段。長(zhǎng)短腿能適應(yīng)各種復(fù)雜的塔位地形，配合高低基礎(chǔ)的使用，不但能大大減少了土石方工程量、縮短工期、降低施工難度，而且也可最大限度地保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境。

4.1 山地塔長(zhǎng)短腿優(yōu)化設(shè)計(jì)

500 kV線(xiàn)路直線(xiàn)塔的傳統(tǒng)接腿模式為“過(guò)渡段”方式的公用腿式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)塔腿主材規(guī)格相同時(shí)，接腿可在不同呼稱(chēng)高上互換，但該方式接身部位傳力路線(xiàn)復(fù)雜，隔面較多，塔重較重。塔腿直接與身部相連的非公用腿模式可減輕塔重2%～4%左右，但設(shè)計(jì)工作量顯著加大。

圖3 常見(jiàn)塔腿布置方式示意圖

長(zhǎng)短腿組合時(shí)，增加長(zhǎng)短腿級(jí)差可以更好的適合山區(qū)陡坡地形，但隨著級(jí)差的增大，也增加了長(zhǎng)腿與短腿的剛度差，從而導(dǎo)致塔重增加。這是因?yàn)殚L(zhǎng)腿和短腿的剛度不同和根開(kāi)不同造成內(nèi)力分配存在差異，導(dǎo)致鐵塔部分構(gòu)件規(guī)格的變化而引起塔重的變化。通過(guò)測(cè)算表明，長(zhǎng)短腿級(jí)差若控制在7.0m左右時(shí)（可適應(yīng)30°的地形坡度），塔重增幅為1.0%～2%，長(zhǎng)短腿級(jí)差按最大限度進(jìn)行設(shè)計(jì)（11.0m級(jí)差，可適應(yīng)45°的陡坡地形），塔重增幅達(dá)到2%～3%。

4.2 平丘地區(qū)塔腿設(shè)計(jì)優(yōu)化

平丘塔減腿較少，最多設(shè)計(jì)成4個(gè)減腿，即 0.0m、-1.0m、-2.0m、-3.0m，減腿的增加對(duì)身部主材、腿部主材及斜材設(shè)計(jì)內(nèi)力的增加不顯著（5%左右），不會(huì)對(duì)其角鋼規(guī)格及鐵塔安全造成影響。

圖4 山地平丘鐵塔塔腿比較示意圖

在基本不影響塔重的情況下，將平丘系列塔型考慮按照最大級(jí)差3.0m設(shè)計(jì)，再配合高低主柱基礎(chǔ)，已能適應(yīng)平丘地區(qū)地形變化，達(dá)到工程不降或少降基面、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境的目的。