输电线路大跨越铁塔结构设计

摘要：在大跨越的输电线路架设中，铁塔结构是保证整个线路正常运作的关键。根据输电线路的区别，不仅在设计铁塔时需要保证其能承载线路的负荷，还要尽量降低投入的成本，同时还要保证铁塔的安全性。文章对输电线路大跨越铁塔结构设计进行了探讨。

关键词：输电线路；大跨越铁塔；结构设计；线路架设；线路负荷 文献标识码：A

中图分类号：TM753 文章编号：1009-2374（2016）28-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.011

输电线路铁塔是一种立体造型的构筑物，一般用于架空高压或超高压送电线路导线和避雷线中。根据线路回路、电压强度等不同因素的影响，能够将铁塔分成不同的类型。输电线路铁塔的建设在电力工程中是非常重要的部分，对输电线路的稳定性、安全性有直接的影响。所以在设计的过程中，要重视铁塔的结构优化，同时还要结合实际情况，对气候、地形等进行分析，还要考虑电压等级、结构形式等。随着我國社会的不断发展，电网工程的不断深入，我国输电网的建设逐渐普及，也开始重视铁塔的结构设计。我国的输电线路铁塔主要分为塔头、塔身和塔腿三部分，其中塔腿，起着支撑整个铁塔的重要作用。我国铁塔的材料大多是钢筋混凝土，在设计的过程中根据地区特点的不同，会对铁塔有不同的要求。铁塔的设计要点主要是保证各个零部件的强度、稳定性。在建设铁塔的过程中，要以铁塔的安全性和稳定性为基本原则，尽量降低铁塔的资本投入，减少对环境的危害。

1 输电线路大跨越铁塔结构发展历程

我国在钢材方面较为紧缺，因此在大跨越塔建造的起步阶段，采用的是钢筋混凝土结构。这种结构有着稳定性较强、安全性较高的特点。和其他的材料相比，这种材料也需要投入更多的成本。从我国情况来看，这种材料一般在1990年之前应用较多，尤其是长江中下游平原。随着时代的不断发展，大跨越塔的要求也在逐渐提高，塔的高度也从原本的116.5m增加到了257m，电压从最初的220kV增加到了目前的500kV。通过钢筋混凝土材料建造的跨越塔，不仅有着较高的质量，而且能够长时间使用。但是这种材料的建设周期较长、占地面积大，而且对环境有一定的污染。在当前时代下，基本上已经不使用钢筋混凝土的铁塔，尤其是在部分山区，材料的运输也是一个难点，就算运输完成了，也会对环境造成较大的伤害。随着社会的不断发展，组合角钢跨越塔逐渐开始出现在输电线路中。这种跨越塔和传统的钢筋混凝土塔相比有着更强的强度，在该领域有着广泛的应用。同时，这种材料的跨越塔对环境的抵抗力非常强，对于地震等自然灾害有一定的可抗性。

在1980年之后，开始出现了钢管塔。和组合角钢结构相比，稳定性和抗压性更强。虽然钢管塔的结构比较简单，但其高强度的特点也符合大跨越塔的要求。此时出现了好几条输电线路在同一跨越塔上，使其重量大大增加。即便如此，钢管塔的强度也能满足线路增加后的负荷。因此，在我国，有很多重要的线路以及多线路采用的都是钢管塔，一些重要的塔如通信塔等采用的也是这种材料。铁塔的结构有着简便、易组装、成本低的特点，在目前我国的大跨越塔上应用较为广泛。和钢管塔相比，铁塔的强度有一定不足；从成本方面看，比钢筋混凝土要高。但是，从综合角度看，是目前最适用大规模输电线路的跨越塔。铁塔在安装方面比较简单，即使在山区可以分开运输，上山后再进行安装，可行性较高。而且在建造周期方面也比较短，因此目前应用较为广泛。铁塔的具体施工流程如图1所示：

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图1 铁塔制造工艺流程

2 输电线路大跨越铁塔设计原理及存在的问题

2.1 设计原理

在输电线路中，大跨越铁塔起到了重要的支撑作用，在工程中也占了较大的施工比重，一般输电线路铁塔的施工时间占到了整个工程的1/2，运输量占到了工程的2/5，费用基本也在30%以上。因此想要提高线路的质量，就必须要对铁塔的结构进行完善，设计合理的施工方案。根据不同的地理情况以及多种因素的限制，在设计铁塔形式时，一般以浅埋式为参考。此外，在施工中还要通过增加基础自重和基础底板的尺寸来保证上拔的稳定，确保铁塔的安全性。在某些地区，大跨越铁塔在施工中可能会受到地下水的影响，因此在埋成过程中，要保证具有一定的深度。

2.2 存在的问题

2.2.1 暴雪危害。在2008年的大雪灾害中，南方区域的大量电网受到暴雪影响，大量变电站被迫停运，大量的积雪使得铁塔压力增大，甚至出现倒塌的情况。另外，当积雪落在电线上后，积温会导致电线上结冰，严重威胁了大跨越铁塔的正常运行，对输电线路的稳定性也有一定的限制，影响了居民的正常用电。因此，在一些气候比较极端的地区，在建造大跨越铁塔时要结合实际情况进行分析，包括气候、地理等，并不是所有的地区都适用大跨越铁塔。

2.2.2 环境腐蚀的危害。大跨越的输电线路中，铁塔一般都需要长时间处在露天环境下，而铁在自然环境中很容易出现氧化和腐蚀的情况。我国环境问题越来越严重，很多地区都会出现酸雨，对大跨越铁塔的安全性造成了严重的危害，难以保障铁塔的安全和稳定。尤其是在南方，天气比较湿润，这种气候下，铁塔被腐蚀的几率就更高。另外，土壤的酸碱度也会对铁塔造成一定的影响。因此在建造铁塔的过程中，要采取上漆的方式加强对铁塔的防锈蚀性。大多数铁塔的组装都是依靠铆钉，一旦铆钉被锈蚀，就会对整个铁塔造成影响，因此还需要对铆钉进行一定程度的保护。

2.2.3 地震的危害。在2008年的汶川重大地震灾害中，输电线路以及通信线路都受到了严重的打击。在输电线路方面，维修比较方便，但是在通信塔和铁塔的维修上就较为麻烦，需要投入大量的人力物力，同时还要花费一定的时间，严重影响到人们的正常生活用电。因此必须要对铁塔进行改良，增强铁塔的抗震能力，设计出合理的结构。虽然铁塔的强度较高，但是对地震类的自然灾害抗性较差，因此要通过合理的改造，利用物理学来达到减震的目的。

2.2.4 雷击。根据送电输电线路设计手册推荐，在输电线路中，遭受雷击的次数可以通过以下公式进行计算：

N=rhT

h=hg-2f/3

式中：r指的是地面落雷密度；h指的是避雷线平均高度；T指的是年雷暴日数；hg指的是避雷线悬挂点高度；f指的是避雷线弧垂。根据公式可以得出，输电线路受到雷击的次数是随着地线的高度增加而不断增加的。因此在对铁塔设计的过程中，要充分考虑到雷击的因素，根据地区的实际情况，保证铁塔结构的合理性。

3 输电线路大跨越铁塔的主要技术

3.1 合理设计塔头铰结点的位置

铁塔的铰结点也就是杆系结点，当杆系结点变为刚性节点后，虽然不会对铁塔的正常工作造成影响，但是会浪费掉一部分的原材料。从对我国的铁塔结构分析可以得出，大部分铁塔在中间铰位置都会添加平连杆，但是在一些发达国家中并没有采取这种做法。在此方面，可以利用三铰拱的方式解决，这样不会对铁塔的稳定性造成影响。因此在铁塔设计的过程中，要保证计算图和加工图的一致性，这样才能保证铁塔的结构优化，提高铁塔的安全性。

3.2 布置合理的导线横担下平面斜材

交叉斜材一般都会安排在横担的主材上，而这很可能产生纵向压力，从而导致节点出现变形的情况。为了避免这种情况，设计时一般都会在这个结构上添加短角钢，但这种方法属于临时的应急措施。因此为了对铁塔结构进行优化，需要对纵向压力进行处理，例如将交叉钢材安装到横担根部，从而将纵向压力传递到主塔上。

3.3 曲臂传递纵向荷载

曲臂铁塔不仅可以提高铁塔的美化程度，同时也增加了铁塔的实用性。通过曲臂结构的铁塔，能够很好地平衡纵向荷载，将其传递到臂内外侧斜材，但是这种方法需要考虑的层面较多。因此设计师在设计的过程中，要考虑到各个零部件的作用，对于不能安装杆件的区域，一定要严格控制。同时在力的传导方向上，还要通过适当的杠件来保证纵向荷载的正确转移。在布置杆系时要保证其合理性，根据纵向荷载的方向进行调整。

3.4 大坡度塔身

大坡度塔身的這种设计方式，能够减少大跨越铁塔建造所消耗的材料，但同时也会导致铁塔出现不同程度的倾斜。这种设计方式在实际中运用较为广泛，效果也比较好，但是塔身的弯曲也可能为铁塔带来一系列安全问题。所以在设计时，要对斜材进行相应的完善，在一些关键的环节添加支撑或者用双排螺栓对主材进行固定。此外，在钢管塔上使用大坡度塔身，虽然需要投入大量的成本，但由于其符合物理学原理，因此也有一定的可行性。

3.5 偏心问题

偏心问题属于铁塔的核心问题，导致铁塔偏心的因素有很多，总的来说可以总结为以下四方面：第一，施工中采用单包铁接头的方式，导致主材力线偏心；第二，竹材和斜材连接不当导致的偏心；第三，主材接头的型号、规格不同引发的偏心；第四，横隔面材连接上的偏心。针对不同的偏心问题，要采取不同的解决措施。例如在第三种情况下，可以采用上下主材搭接接头的方法进行完善。

4 结语

随着我国社会的发展、科学技术的不断进步，输电线路也有较大的发展空间，必然会呈现越来越密集的趋势，输电线路大跨越铁塔也会面临更大的挑战，因此必须要不断对铁塔的结构设计进行完善，开展深入研究，才能适应时代发展趋势，保证大跨越输电线路的稳定运行。

参考文献

[1] 张红军.输电线路大跨越铁塔结构设计[J].中国建筑金属结构，2013，（16）.

[2] 杨捷.对于输电线路铁塔结构设计的探析[J].黑龙江科技信息，2010，（36）.

[3] 方成.浅谈输电线路铁塔结构设计[J].中国建材科技，2015，（S2）.

作者简介：刘松（1982-），男，重庆人，海南电力设计研究院工程师，硕士，研究方向：输电线路。

（责任编辑：黄银芳）