1 000 kV特高压耐张钢管塔横担结构选材分析

王智飞，默增禄，任宗栋，李士锋，黄璜，张遨宇

(国核电力规划设计研究院，北京市，100032)

0 引言

大容量和长距离输电的需求，促进了电网技术的不断进步，特高压电网在我国应运而生。正在建设的淮南—皖南—浙北—沪西1 000 kV交流输电工程(皖电东送)是国内首条特高压同塔双回输电工程，由于铁塔结构承受荷载较大，利用角钢材料已经无法满足承载力的要求。钢管塔具有构件小、刚度大、结构简洁、传力清晰等优点，能充分发挥材料的承载性能，因此塔身主材、斜材等主要受力构件可优先选用钢管构件［1-8］。横担为特高压杆塔的重要组成部分，其上、下主材和斜材的受力和计算长度值分别小于塔身主材和斜材。本文以皖电东送线路工程钢管塔为例，研究特高压耐张杆塔导线横担的选材原则，为今后特高压杆塔设计提供参考。

1 钢管塔设计参数

皖电东送线路工程同塔双回路SJ274钢管塔设计条件为:最大风速27 m/s，导线覆冰厚度10 mm，水平档距500 m，垂直档距650 m，导线为8×JL/G1A－630/45－45/7，地线为1×LBGJ－240－20AC，转角度数为30°～40°，结构重要系数为1.1。杆塔采用鸭嘴型横担，沿塔身向外收口［4］，各横担尺寸见表1。

表1 横担外形尺寸Tab.1 Size of cross arm

2 横担选材分析

2.1 横担主材

根据杆塔内力计算结果，横担上部主材承受拉力900～1 200 kN，下部主材承受压力750～1 400 kN。横担上部主材采用单肢角钢或钢管均能满足选材要求，横担下部受压控制主材计算长度达3～4 m，单肢角钢已不能满足选材要求，若采用双拼角钢，则节点连接构造及挂点设置较为复杂，因此推荐耐张塔横担下部主材选用钢管。本文对横担上、下主材选用钢管(方案I)和上主材选用角钢、下主材选用钢管(方案Ⅱ)这2种方案进行计算分析，结果见表2。

表2 横担主材选材方案Tab.2 Selection scheme of main-legs for cross arm

与方案I相比，方案Ⅱ上部主材最大控制拉力增大5% ～9%，下部主材最大控制压力减小6% ～12%，致使方案Ⅱ下部主材钢管选材规格降1～2级。经分析杆件截面模量的变化是引起上、下主材内力重分配的主要原因。表3给出2种方案横担主材截面模量比值和质量比值。由表3可知:方案Ⅱ横担上部主材截面模量较方案I增大15% ～30%，横担下部主材截面模量较方案I减小10% ～25%;2种方案的质量指标基本相当，并无明显变化。

表3 横担主材截面模量及质量比值Tab.3 Ratio of section modulus and mass of cross arm's main-legs

经对比分析，2种方案的横担风荷载变化量均较小，与整个杆塔风荷载相比可忽略不计;考虑到角钢单价优势明显，若上部主材采用角钢，其与塔身及横担下部主材的连接方便且构造简单。

2.2 横担正面斜材

对横担正面斜材按照钢管和角钢分别优化选材，经计算各横担相同位置的选材规格基本相同，主要是由长细比控制选材，钢管受最小规格限制，杆件规格均为φ89 mm×4 mm或φ102 mm×4 mm;正面斜材采用角钢时塔质量比采用钢管的大0.2 t左右，约占总塔质量的0.07%。

横担正面垂直方向杆件投影面积如表4所示。由表4可知:正面斜材采用角钢的投影面积仅比钢管大1%左右;横担正面斜材采用角钢或钢管对塔身风荷载影响并不大。同时，该部位采用角钢时的加工及安装难度与采用钢管相当。考虑立塔后整体外观效果，推荐横担正面斜材采用钢管。

表4 横担正面垂直方向杆件投影面积Tab.4 Vertical projected area of cross arm m2

2.3 上、下平面交叉斜材

横担上、下平面交叉斜材按照角钢和钢管分别选材，计算结果表明:角钢选材范围在└100 mm×7 mm至└160 mm×10 mm之间，长细比为110～180;钢管选材受微风振动长细比限值影响，范围为φ89 mm×4 mm至 φ159 mm ×4 mm，长细比为90～130。

表5为各横担上、下平面斜材选用钢管和角钢质量之比。经计算，选用钢管的理论计算质量合计为4.9 t，而考虑钢管连接插头、连接板及连接螺栓等部件后的施工图质量合计为7.1 t，质量增幅40%以上。表6为不同选材结果的施工图质量统计，可见横担上、下平面斜材选用角钢其质量较钢管增加1.3 t，对塔质量影响约1%，对塔质量整体影响并不明显。

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综上，横担上、下平面交叉斜材选材的钢管均为小直径的无缝钢管，单价较高，与角钢相比存在明显竞价劣势，由其塔质量引起的经济优势将大为减小。对于钢管构件，无论是相贯连接或插板连接，都存在较大的焊接工作量，焊缝质量直接影响到铁塔结构的安全可靠［5-6，9］，尤其影响直接承受动荷载的横担结构的安全，并且横担交叉斜材采用钢管拼装难度较大，而选用角钢则不存在类似问题。

2.4 横担上、下平面交叉斜材弯曲挠度

交叉斜材在自重荷载作用下，产生弯曲变形，称为“塌腰”，斜材中点出现最大挠曲变形。梁的挠曲线方程［10］为

式中:x为变形前梁的轴线方向;ν为梁横截面形心沿梁轴线垂直方向的挠度;M(x)为梁自重弯矩;EI为梁截面弯曲模量。

横担交叉斜材可近似为简支梁结构形式。由简支梁边界条件，对挠曲方程二次积分，可得梁中点最大挠度为

式中:q为梁自重沿长度方向的均布荷载;l为梁跨长。

将交叉斜材分别选用角钢与钢管，计算其最大弯曲挠度，表7为横担第1组交叉斜材最大挠度占杆件总长百分比。

由表7可知，斜材选用角钢或钢管的最大挠度值为杆件长度的0.01% ～0.39%;角钢与钢管挠度比为0.50～1.36，仅左下与右下横担处比值达3.9左右，但最大挠度绝对值不到3 mm。由此可见，交叉斜材选用角钢或钢管其挠度绝对值均较小，采用角钢的弯曲挠度并不都大于钢管，部分杆件的挠度变形要小于钢管。

表7 横担斜材最大挠度Tab.7 Maximum deflection of cross arm's diagonal members

3 结论

(1)横担上主材采用角钢或钢管，其上、下主材内力发生重分配，并影响横担下主材选材规格;横担上主材采用角钢在安全性和经济性方面是可行的;横担下主材建议采用钢管。

(2)横担正面斜材采用角钢或钢管，对杆塔内力变化影响可忽略不计，考虑杆塔正面整体美观性，建议横担正面斜材采用钢管。

(3)上、下平面交叉斜材采用角钢或钢管的自重最大弯曲挠度值与杆件长度之比为0.01% ～0.39%，挠度绝对值均较小;角钢与钢管的最大挠度之比为0.50～1.36，斜材采用角钢的挠度值并不都大于钢管。

(4)综合经济性及加工安装因素，横担上、下面交叉斜材采用角钢构件较为合理。

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