输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计研究

贾小刚

（广州市电力工程设计院有限公司,510000）

输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计研究

贾小刚

（广州市电力工程设计院有限公司,510000）

本文回顾了钢管塔结构发展以及介绍了钢管塔在行业内外使用情况，结合了钢管塔的结构特点，分析了钢管塔荷载计算和动力效应问题，并钢管塔的内力和材质的选择做了详细的概述。

输电线路大跨钢管塔；应用；结构设计研究

0 引言

众所周知，我国幅员辽阔是一个占地面积庞大，人口最多的国家，随着现代化的发展，我国的电力需求巨大，超高压架空输电线路工程已然成为了我国急需的重要战略，但由于我国地理位置的制约在架设过程中会遇到很多难题，其中河网的密布地域的广阔成为了超高压架空输电线路工程的天然屏障。在过去几十年的努力下，我国已掌握了跨越塔设计的丰富经验，本文特此回顾了跨越塔设计的历程，并总结了相关经验，详细的介绍了钢管塔的设计。

1 跨越塔的结构类型和钢管塔的应用情况

1.1 跨越塔结构介绍

跨越他塔形主要分为钢筋混凝土结构、组合角钢格构式结构、焊接钢板格构式结构和钢管结构。钢筋混凝土结构是早期运用的技术，在条件比较不发达的时期，材料的加工技术还有待提高，只能勉强运用混凝土式跨越塔，这类型的跨越塔的显著缺点就是笨重，而且塔的高度很低及不利已特高压的输送。相比较后期淘汰了钢筋混凝土结构，发现运用钢板作为材料即耐用，又能够适合高压输电线路的高度，便有了组合角钢格式结构、焊接钢板格构式结构和钢管式结构，其中组合角钢格式跨越塔运用很广泛，无论是国内还是国外都是比较常用的，拿我们国内来说徐上线镇江大跨越塔就是这种类型，塔高180米，可传输500伏高压电力。像文明遐迩的珠江跨越塔采用的则是组合角钢断面型式。焊接式钢板格构式结构也偶有运用，相比较小的输电线路都合适钢板式结构塔。另外一种重要的跨越塔结构形式就是钢管塔式大跨越塔，由于现代材料的强度的提升，国内外的相关专家发现钢管塔式跨越塔很有应用前景，尤其是现代科技对钢材强度的提高，很利于这一跨越塔的发展。

1.2 钢管塔的使用介绍

钢管式结构在行业内是一种高耸的构架，它在著名的建筑设计中运用的很广泛，当然我们熟悉的也运用的普遍，我们熟知的电视塔通信塔导航塔输电塔，其中英国bbc广播公司采用的多边形钢管塔结构形式很引人注目，现如今已成为当地的地标性建筑。

谈到钢管式跨越塔，就不得不提到日本和韩国这两个具有丰富经验的国家，这两个国家在钢管塔的设计和制造方面走在前列，日本在电力输送方面普遍采用钢管式结构，尤其是日本的跨海输电工程，就连当初日本的第一条1000千伏的跨海输电试验线都是采用的高强度钢材的钢管塔。韩国在这方面也是凭借着强大的工业技术在输电线路方面也是全面采用钢强度钢管式塔。

2 钢管塔式面临的问题

钢管塔的基本构建是圆断面钢管，在体形系数方面，较型钢断面小很多，但在实际的加工中钢管的断面是N边形近似圆，这样的圆存在菱角问题。在实际的焊接过程中经常需要焊接脚钉、连接板等挂件，本身加工出来的断面就不光滑，由于又需要添加的挂件，所以在钢管构建前的体形系数选择上就要合理。通常钢管表面光滑的钢管塔整体体型系数为角钢塔体型系数的0.6倍，但需要考虑还未添加脚钉和其他挂件这时就不能以0.6倍来计算了，而需要在实际操作中以0.82倍进行计算。

在实际整塔构件件会存在截面细微差别，而且还受横向风震动的影响，在施工前一定要进行风洞试验测试，以确保细管的截面之差控制在合理的范围内，有经验的可以根据以往的施工经验控制这一截面差。根据数据库的记载主材的长细控制在120以内比较合理，斜材和辅助材料的长细比要在160以内较为合理，根据数据库的资料再结合建筑构造进行计算，也能控制好构件横向振动产生的影响。

另一个突出的问题就是受到高度的影响钢材会受到风向荷载，随着构件的高度和钢材的设计的不同而风向载荷也会大有不同。在计算风荷效应时，风荷系数一定不要选用一般的输电塔采用的定值，需要根据风洞测试的具体结果并根据相关的单位曾经做过类似的高塔风振的研究进行比较，合理的运用风荷系数。下面是风荷系数的计算公式：

3 输电线路大跨越钢管塔的结构设计研究

3.1 钢管塔内力计算

完成钢管塔结构模型建设，后面就是对结构进行内力分析，内力分析我们采用的是内应力分析软件，内应力软件能精确的描绘结构第一振型，振型中的内应力参数可以很好的为我们钢管塔结构构架提供重要参考。此外，内应力软件大多数只能考虑结构第一振型，采用线性分析方法有明显的局限性，一旦高度很高构件复杂时，第一振型会有明显的偏差，此时的线性分析出来的参数会有明显的误差。因此，在进行对高度比较高又复杂的塔进行分析时，一定需要考虑结构的高振型，并对结构的二次效应进行分析，二次效应可以通过有限元模态对局部构件的影响考虑进去，从而得出来的数据更加准确。

钢管塔构件的截面选择上除了考虑结构内力、强度以及稳定性，还要对材料的长细比、径厚比、节点局部稳定性综合考量。一般的再内力相同的情况下，断面直径加大可以减小管壁，对塔重也可以减轻，节省材料，但有利同时也有弊，对于直断面径的加大，会造成挡风面积变大，会对管壁的稳定性造成影响，在考虑径厚的时候一般有严格的标准，尽量将径厚控制在D/d小于100以内，避免钢管的内应力过大使得自身局部弯曲。

钢管在壁厚方向上也存在受力问题，在欧美一些国家，他们对壁厚有严格的要求。钢材设计中明确要求焊接钢结构材料屈服极限要控制在355MPa以内，甚至有的提高到了460MPa，但我国普遍屈服极限没有统一的标准，在塔的建设上我们要有严格的标准。

3.2 钢管塔节点选择

通常钢材的主体结构采用的是“KK”、“TT”节点方式，在斜材和辅助材料方面则采用的是“x”、“k”、“T”、“*”四中节点方式，每种节点方式，要对应相应的计算公式，并且每个计算公式都有相应的适用条件。适用条件为：（1）主管和支管要相通；（2）支管外径和主管外径比要在0.2到1之间；（3）支管外径和支管壁厚比要在60之内，主管外径与壁厚比要控制在100以内；（4）主管和支管的夹角要大于30°

3.3 钢管塔的设计要求

钢管塔结构简单，但在设计结构处会有复杂的节点，甚至有的局部还出现三相应力集中的状态，这是设计时最不能看到的状态，在设计过程中要尽量避免出现应力集中的区域，要对可能出现的构造采取特别的处理方法。特别是导线与地线的挂点处，以及横担与塔身的节点处，急需注意避免重心偏离或者应力集中的现象。

（1）焊接前，对于比较大的插板，要提前对插板进行剖口以及预热处理。

（2）焊接薄壁钢管和后板时，焊缝的位置不能太高，防止对母材的破坏，以及造成钢管的承受能力不足。

（3）布置塔腿法兰、加劲板和地脚螺栓时要注意检查，出现碰撞的配件会造成影响。

（4）交叉斜材叉点要适当加大不开段的直径，避免两管径相通的位置出现开段的想象。

（5）在塔体附属设施与主体塔身的链接处，要注意附属设施的强度，对于屈服极限和强度极限都要在严格的标准之内，相应的还要满足变形要求，特别像走道、阳台、楼梯之类得附属设施。

4 结束语

输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计研究对于我们的特高压输电系统的建设能提供重要的技术支持，同时也进一步为我们的特高压输电技术走出国门奠定了基础。

[1]董建尧-输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计-创新、科学、发展研讨交流会-2014（2）：12-13

[2]明进文-输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计探讨-《电子测试》-2015（4）：21-22

[3]兰长俊-输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计分析-《低碳世界》-2016（3）：31-32

[4]刘磊-浅谈输电线路大跨越钢管塔的应用和结构设计-《建筑与发展》-2014（3）：26-23

贾小刚1982年04月01日，男，汉，广东省广州市，现任职单位：广州市电力工程设计院有限公司，工程师，输电线路设计。

Application and structure design of large span steel pipe tower for transmission line

Jia Xiaogang
（Guangzhou Electric Power Engineering Design Institute Co.,Ltd.510000）

This paper reviews the development of steel tower structure and introduces the steel tower used in the industry home and abroad,combined with the structure characteristics of steel tower,steel tower load calculation and analysis of the dynamic effect,and the internal force and the steel tower in the choice to do a detailed overview.

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