輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化探討

柳文旭 沈陽電能建設(shè)集團有限公司聯(lián)發(fā)設(shè)計分公司

我國電力工程的主要任務(wù)是進行電能的生產(chǎn)與運輸，因此輸電線的效率將直接影響工程的質(zhì)量。電能是一種較為危險的能源物質(zhì)，在對其運輸?shù)倪^程中要注意保證安全性。一般情況下，輸電線路處于較高的位置，在進行設(shè)計時，需要考慮穩(wěn)定性，大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)就是一種較為常見的支撐結(jié)構(gòu)，在輸電線路中有著較好的應(yīng)用。在工程設(shè)計過程中，要根據(jù)現(xiàn)實情況對這一結(jié)構(gòu)進行簡單調(diào)整，使其在發(fā)揮作用的同時，降低所需成本。

一、我國輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀

我國上百年來都是應(yīng)用鐵塔架空電線來輸送電能，而且隨著我國經(jīng)濟的增長，人們對電能的需求量也開始增加，相應(yīng)的，這就促使著電容量也需要增加。但是受我國地域?qū)拸V的影響，我國使用的電源地點呈分散型特點，很多電量需要依靠電線來實現(xiàn)傳輸，因此鐵塔就隨之應(yīng)運而生。正是我國這種地域?qū)拸V的特色，在鐵塔的設(shè)計過程中，需要考慮到一條完整的線路，需要經(jīng)過特別負責(zé)的實際狀況，才能實現(xiàn)傳輸，也就是說，設(shè)計過程中，一定要考慮到地形、氣候以及電壓等級等帶來的影響，因此這就給設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)。其需要對當(dāng)?shù)氐那闆r進行實地考察，根據(jù)考察的實際情況來設(shè)計出符合當(dāng)?shù)靥攸c的輸電線路，以此來實現(xiàn)電路的傳輸。

二、輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

（一）桿件布置合理

在開始進行桿件布置之前，要與電氣專業(yè)密切配合，領(lǐng)會電氣的設(shè)計意圖。在滿足電氣要求的前提下，桿件布置力求做到主材傳力清晰，構(gòu)造力求簡單，桿件準線盡可能交于一點，減少偏心。平面內(nèi)同一節(jié)點處的兩主材夾角要滿足170 以上，以避免整體失穩(wěn)。受壓主材的長細比盡量控制在50-70 之間。對于酒杯型、貓頭型鐵塔的上、下曲臂的內(nèi)側(cè)主材，根據(jù)有關(guān)資料和試驗，應(yīng)盡量使用雙組合主材，減小連接過程中引起的偏心力，受力較大的桿件選用雙角鋼后，螺栓由單剪變?yōu)殡p剪，減少了螺栓數(shù)量，減小節(jié)點板盡寸，還減小了風(fēng)荷載的作用力。合理設(shè)置斜材、輔助材，使主材、斜材“物盡其用”，使一根主材中，各段同時達到或靠近滿應(yīng)力。斜材、輔助材與主材之間的夾角不得小于150，達到減小斜材受力，達到支撐主材的目的。在單斜材的析架中，斜材的設(shè)置應(yīng)使長的桿件受拉控制，短的桿件受壓控制，還應(yīng)作單、雙斜材的經(jīng)濟比較。合理選擇塔身的坡度，使塔身準線的交點盡量靠近外力（導(dǎo)、地線負荷及風(fēng)荷載）的重心，這樣塔身主材受力合理，斜材受力最小。根據(jù)塔腳彎矩的作用力及擬選用的主材規(guī)格，來選用合理的塔腳根開和塔頂寬度，大根開的塔身盡量采用大交叉的斜材型式，主材可分5—6 格。使用K 型腹桿時，采用內(nèi)置撐桿的V 形式。整個鐵塔，力求減少變坡次數(shù)，使變形均勻，減少突變。

（二）鐵塔塔頭的優(yōu)化設(shè)計

鼓形是過往500kV 雙回路線路的常規(guī)布置形式，采用該種形式布設(shè)塔頭有形式較為簡易、傳力直接且明確等特征，以垂直形式排列導(dǎo)線，塔頭偏高，若對跨越指標提出要求時，為符合電氣對地間距標準，就要提高整塔高程，造成塔身、上層導(dǎo)地線均形成較大的風(fēng)荷載，不僅增加鐵塔建設(shè)期間材料的消耗量，還會產(chǎn)出較高的基礎(chǔ)作用力。雙層橫擔(dān)的V 串塔型也是布設(shè)鐵塔的常用方法之一，塔頭布置形式以三角形為主。對鼓型、雙層橫擔(dān)兩種布塔形式進行分析，并結(jié)合參照已投運的輸電線路工程中較成熟的設(shè)計成果，發(fā)現(xiàn)以上兩種布設(shè)方式各自均存在一定優(yōu)勢及不足。鼓型塔布設(shè)流程相對簡潔、傳力直接清晰、走廊相對較窄小。V 串雙層橫擔(dān)塔布設(shè)實踐中，利用以三角形式排列導(dǎo)線，該種形式能使塔高大概有10m 的降幅，和鼓形塔相比較塔材用量減少量大概為10%，并且其基礎(chǔ)作用力減少率也高于12%，建設(shè)期間能取得較好的經(jīng)濟效益。500kV 線路建設(shè)期間通常不會對走廊寬窄度提出較嚴格要求，而對高跨指標作出一定約束，故而本項目建設(shè)期間采用由兩層橫擔(dān)的V 串塔型進行設(shè)計，能明顯降低工程造價。

（三）鐵塔塔身坡度優(yōu)化

對有相同斜材形式的鐵塔身部而言，能夠?qū)ζ渲鞑暮托辈漠a(chǎn)生直接作用的是塔身坡度的變化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口寬度和塔腳根開這三個獨立的變量確定的，即為（塔腳根開－塔身瓶口寬度）/塔身高度。當(dāng)塔頭形式和呼高確定后，塔身就是一定值，這時塔身坡度就由塔身瓶口寬度和塔腳根開來確定。塔腳根開與塔身瓶口寬度的差值越大，塔身坡度越大；塔腳根開與瓶口寬度的差值越小，相應(yīng)的塔身坡度越小。在塔身變坡處寬度一定的情況下，塔身坡度的優(yōu)化實際上就是鐵塔根開的優(yōu)化，鐵塔根開的大小會控制塔身主材，進而影響整基塔的重量，同時還會對基礎(chǔ)作用力的大小產(chǎn)生較大的影響。塔身坡度越小，鐵塔斜材越短。同時，斜材受力也越小，斜材重量將會減輕，但鐵塔主材內(nèi)力將加大，主材規(guī)格就越大，根據(jù)計算，鐵塔主材一般要占整個塔重的40%左右，主材的大小對塔重的影響最大，因此，坡度越小塔重反而會增加。反之，塔身坡度越大，根開就越大，塔身主材內(nèi)力就越小，主材規(guī)格就相應(yīng)減小，但此時，鐵塔斜材長度會增長，內(nèi)力隨之而增大，斜材規(guī)格將會急劇增加，斜材基本受長細比控制，很明顯，也是不經(jīng)濟合理的。塔身坡度、鐵塔整體的安全穩(wěn)定以及鐵塔重量，三者是相輔相成的，不斷變化的，需要反復(fù)設(shè)計計算，找到三者的契合點。其中，塔身瓶口寬度尺寸一般來說可調(diào)節(jié)范圍較小，但是其甚至影響到整個鐵塔的剛度、塔頭的穩(wěn)定性和全塔的重量。

三、結(jié)語

隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，輸電鐵塔在整個輸電系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的支撐作用。但是由于我國地域特點，輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有非常大的挑戰(zhàn)性，因此在設(shè)計過程中，必須要應(yīng)用合適的材料，合理地選擇鐵塔型式，優(yōu)化鐵塔設(shè)計，合理地布置鋼材，這樣才能保證整個輸電系統(tǒng)的安全。未來輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計還需要不斷的完善，以此來提高對抗外界給其帶來的破壞，保證輸電線路的穩(wěn)定性。