750kV输电线路工程V型拉线塔设计优化

冯云巍

（中南电力设计院，武汉市 430071）

0 引 言

V型拉线塔具有质量小，造型美观的优点，在我国西北部荒漠、戈壁地区具有良好的实用性。一般而言，V型拉线塔由塔头、拉线和2个格构式主柱组成。塔头主要承受导地线荷载和风荷载；拉线主要承受结构上的传来的风荷载，只承受拉力；主柱主要承受塔头传来的竖向荷载以及风荷载和拉线拉力产生的竖向分量，只承受压力。塔头和主柱一般是由角钢或钢管构成的空间桁架结构，具有较好的整体稳定性，能够承受较大的轴向压力。拉线一般由高强度钢绞线做成，能够承受很大的拉力。V型拉线塔充分利用了材料的强度特性，进而减少了材料耗用量，节省造价［1］。与自立塔相比，V型拉线塔计算需要考虑结构的几何非线性，而目前国内杆塔设计软件只能计算线性结构。本文依托西北地区某750kV输电线路工程，利用非线性铁塔计算软件TOWER对V型拉线塔进行优化计算和分析，比较各种设计方案的优劣，以得到最经济、合理的V型拉线塔结构形式［2－3］。在TOWER软件中没有相关的中国设计规范可供选择，本文按照中国规范编制了构件验算程序，可将TOWER软件的计算结果导入程序验算构件规格，以使非线性计算的结果满足我国规范的相关设计要求［4］。

1 V型拉线塔的设计条件及计算模型

1.1 设计条件

本文所研究V型拉线塔的设计条件［5－6］：设计风速为31m／s；设计覆冰厚为5mm；海拔为1500m；设计呼高为42.0m；设计水平档距为450m；设计垂直档距为600m；导线型号为6×LGJ－400／35；地线型号为JLB20A－150；计算呼高为42m。

1.2 计算分析模型

在建立V型拉线塔计算模型前，首先需要确定受力杆件的单元类型。拉线采用只能承受拉力的索单元，斜材以及隔面横材采用杆单元，而主材则采用梁单元［7］。分析过程考虑几何非线性，但结构材料仍然按线性考虑。按照此原则，本文在确定了铁塔几何尺寸的基础上，利用此计算平台建立了V型拉线塔的计算模型，如图1所示。

图1 V型拉线塔的有限元计算模型Fig.1 Finite element calculation model of V－type guyed tower

拉线塔需进行非线性有限元计算，当结构失稳破坏时往往需要了解破坏部位，以优化结构设计。TOWER软件可以清晰直观地显示非线性破坏变形图，也可显示出各工况下杆塔的变形，如图2所示。

图2 非线性有限元计算变形图Fig.2 Deformation figures of nonlinear finite element calculation

计算结果表明，拉线塔的横担主材规格多数为断线工况控制，少数为安装工况控制；塔柱上部主材为断地线工况控制，下部主材为60°大风工况控制；拉线规格为60°大风工况控制。基座基础为90°大风工况控制，只受压力和水平力；拉线盘基础为60°大风工况控制，只受拉线产生的上拔和水平分力。

以上控制工况均符合拉线塔的受力特点，充分说明了V型拉线塔的结构体系受力的合理性，能够保证在工程中使用的可靠性。

2 V型拉线塔结构优化设计

V型拉线塔设计是否合理与众多因素相关，其中比较关键的是导线的挂线方式、塔头形状、拉线的设置方案以及主柱截面的选取。

2.1 V型拉线塔的导线挂线方式选择

直线塔导线的挂线方式常用的有“I串型式”和“V串型式”。I串挂线方式受风偏和摇摆角的影响，使得其电气间隙较V串挂线方式大，这增加了横担的弯矩，进而增大了主材规格和塔质量。V串的使用方式分为2种：三相都用V串和中相使用V串、边相使用I串。中相使用V串可以减小塔窗，有利于降低塔质量；边相使用V串却增加了横担的长度，会导致塔质量增加。因此V型拉线塔中导线采用V串、边导线采用I串，一方面可减小塔质量，另一方面可减小线路走廊宽度，保护自然环境［1］。

2.2 V型拉线塔的塔头型式方案优化

参照以往自立塔的塔头型式，可将拉线塔塔头设计成直横担式和横担上挑式。2种型式塔头的优缺点见表1。

表1 2种塔头型式比较Tab.1 Comparison of two types of tower head

通过杆塔试算比较，直横担式拉线塔全高比横担上挑式拉线塔高约1.62.0m，前者塔质量为后者的1.03倍。虽然横担上挑式拉线塔节点处理相对复杂，但是具有良好的经济性，因此本文推荐在工程设计中使用该塔头形式。

2.3 V型拉线塔的拉线设置方案优化

影响V型拉线塔受力状态的另一个关键因素是拉线的设置方式。与自立式铁塔不同，拉线塔的横向刚度、纵向刚度以及结构的抗扭刚度都要靠拉线来提供。因此不论是拉线数量的选取，还是拉线与塔身的连接方式的优化，其目的都是为了更高效地提供这几个方向的刚度。V型拉线塔的拉索一般与线路方向成45°前后各布置2根，这样既可以平衡纵向张力，也可以承受结构上的水平风荷载，亦可抵抗断线产生的扭矩。因导线挂点位于横担下平面，为使传力更直接，拉线点也布置在横担下平面。

本文拉线塔的拉线型号为2根1×37－22.4－1570高强度钢绞线［8］。拉线的设置方案优化包括拉线点的布置方式优化和拉线对地夹角优化。

2.3.1 V型拉线塔拉线点位置优化

一位纪检干部曾讲过这样一个故事：在查阅一名违纪干部的履历表时，他发现该干部曾有多次参加党校学习和理论培训的经历，并且几乎每次考核都为“优秀”。为此，该纪检干部一时困惑：“这位履历表堪称完美的领导，为何竟会违纪？”学风不正、教育培训走过场是症结所在。

布置拉线时首先必须满足电气间隙要求，并应保证使结构受力清晰、减少拉线对结构的不利影响。传统的做法是将拉线点布置在柱顶节点见图3（a）。其优点是塔头和拉线的荷载直接作用在主柱顶点上，结构受力清晰，横担本身没有拉线产生的附加弯矩影响；缺点是边横担外挑长度较大，使得导、地线断线张力产生的扭矩作用较大，拉线锚点所跨面积较大、走廊宽度较大。另一种布置方式是将拉线点向横担内移，与中导线V串挂点设在同一条纵向线上，如图3（b）所示。其优点是减小了边横担外挑长度和断线张力产生的扭矩影响，充分利用了塔窗空隙，同时走廊宽度也可减小；缺点是拉线作用增加了横担上的附加弯矩。

图3 拉线布置方式Fig.3 Arrangement mode of guy

为了比较2种拉线布置方式的优劣，使用TOWER软件对二者分别进行建模分析。结果表明，拉线布置方式一的塔质量比方式二大约5%。

计算结果表明横担和主柱的主材规格基本都是断地线工况控制。因新规范地线的断线张力为100%最大使用张力，而导线断线张力为20%最大使用应力，使得本文拉线塔的地线断线张力比导线断线张力大约20%，因此导地线断线张力产生的扭矩对结构的影响较为显著。可见V型拉线塔对断线工况较为敏感，减小横担外挑长度，进而断线产生的扭矩对控制塔质量起决定性作用。因此本文推荐V型拉线塔采用第2种拉线布置方式。

2.3.2 V型拉线塔拉线对地夹角优化

拉线对地夹角直接影响着拉线本身的受力，同时也直接关系到塔柱结构的受力。拉线对地夹角一般将对地夹角控制在45°65°，如图4所示。拉线角度的选取需综合考虑拉线长度、拉线抗拉刚度、拉线锚点占地面积及拉线基础作用力等方面的影响。拉线对地夹角减小时，会使拉线长度和占地面积增加，同时考虑边导线间隙横担外挑长度也需调大，对结构受力不利；但拉线在水平和纵向的抗拉刚度也随之增加，拉线拉力的竖向分力会减小，有利于主柱的受力，同时也可使拉线基础作用力减小，减少基础材料量。

图4 不同拉线对地夹角Fig.4 Different angles between cable and ground

对拉线塔的拉线对地夹角在45°65°时的塔质量进行了比较，见表2。其中夹角较小时已考虑了横担外挑长度的增加。计算结果表明，拉线对地夹角越小，塔质量越小。但夹角较小时，因边横担外挑长度加大增加了结构的扭矩，使得塔质量的减小幅度不大。拉线夹角变小的同时，拉线占地面积也越来越大，且夹角的变小给拉线基础的设计也带来困难。考虑到综合效益，并参考以往工程的取值，建议拉线对地夹角不大于60°，对于一些荷载较大的铁塔，可以适当减小对地夹角。

表2 不同拉线对地夹角的塔质量Tab.2 Tower weight with different cable angle to ground

判断拉线对地夹角是否合理，可通过计算杆塔的挠度确定。根据文献［6］的要求，在正常风速5m／s工况时，拉线塔顶部最大挠曲度不应超过2 H／1000＝98 mm。经计算，本文V型拉线塔在改条件下的挠度为12 mm，根据以往工程经验，考虑到主柱初始变形加上螺栓滑移引起的变形量约为计算值的0.51.5倍，所以主柱最大挠度保守地取为30 mm。可见杆塔挠度远小于规范允许值，拉线对地夹角可满足杆塔的变形要求［6，9］。

2.4 V型拉线塔的主柱截面优化

2.4.1 截面形状的选取

V型拉线塔的主柱为格构式柱，其断面可以设置为矩形或方形。由于铁塔所受外荷载较为复杂，可能承受来自各个方向的荷载，为保证塔柱在各个方向上的刚度尽量均衡，同时考虑后期设计、加工及安装各环节的方便，所以截面适合设置成方形。

2.4.2 主柱宽度的优化

主柱宽度对塔质量的影响很大。当主柱角钢规格一定时，柱宽越小，长细比就越大，主柱就越不稳定，但若柱宽过大，又造成材料浪费。因此有必要对主柱宽度进行优化设计。对拉线塔在不同主材宽度情况下的计算塔质量进行了比较，拉线对地夹角取60°，计算结果见表3。

表3 不同主柱宽度的塔质量Tab.3 Tower weight with different column width

由表3中数据可知，在本文给定的荷载条件下，拉线塔的主柱宽度取1.21.6 m时塔质量较小，取1.4 m时塔质量最小。主柱除承受塔头和拉线传来的轴向压力外，还承受断线张力产生的弯矩，以及主柱自重和水平风荷载产生的弯矩。主柱宽度越小，主柱的长细比越大，承受弯矩的能力越差，因此需增大主柱主材规格来提高抗弯刚度，使得塔质量增加。主柱宽度较大时，主材的规格变化不大，但是主柱斜材长度增加，导致塔质量有所增加。因此，拉线塔设计时需确定合理的主柱宽度，使主材规格加大和斜材长度增加二者对塔质量的影响降到最低。

3 铁塔的经济技术指标分析

通过以上各种参数的优化措施，可充分保证V型拉线塔在工程中应用的可靠性，同时拉线塔塔质量指标得以降低，体现了V型拉线塔的经济性。下面对V型拉线塔与自立式铁塔的经济技术指标进行对比分析［10］。因拉线塔主要用于西北开阔地区，因此对它与自立式铁塔做综合比较时不考虑其占用土地的因素。在相同设计条件下，拉线塔与自立塔的造价对比以百分比形式列于表4。

表4 V型拉线塔与自立式铁塔指标Tab.4 Cost between V－type guyed tower and self－standing tower %

由表4所列数据可知，V型拉线塔相对于自立式铁塔来说，能显著降低钢材和混凝土的消耗量，具有明显的经济优势，值得在西北开阔无人区推广应用。

4 结 语

本文对V型拉线塔的拉线设置方案及主柱截面的优化设计方法进行了探讨，并利用TOWER软件对多种方案进行了对比计算。经综合分析、比较得知：V型拉线塔铁塔采用中相V串、边相I串的挂线方式；塔头采用横担上挑式；并将拉线点内置于横担；主柱采用方形截面，柱宽控制在1.21.6 m。此时技术经济指标较优，与自立式铁塔相比，综合造价可降低约37%，具有显著的经济效益。

［1］杨磊，吴彤，郝阳，等.V型拉线塔在750 kV输电线路工程中的应用［J］.电力建设，2012，33（3）：45－48.

［2］ASCE10—97 Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.ASCE，1997.

［3］ANSI／AISC360—10 Specification for Structural Steel Buildings［S］.ANSI／AISC，2010.

［4］郭峰，李晨，施菁华，等.直流输电线路双柱悬索拉线塔设计［J］.电力建设，2012，33（5）：78－81.

［5］GB50545—2010110 kV750 kV架空输电线路设计规范［S］.

［6］DL／T5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.

［7］GB50017—2003钢结构设计规范［S］.

［8］YB／T5004—2001镀锌钢绞线［S］.

［9］GB50389—2006750 kV架空送电线路施工及验收规范［S］.

［10］DL／T5219—2005架空送电线路基础设计技术规定［S］.