特高压直流线路黄河大跨越铁塔设计

刘洪昌，骆　强，杨　明，辜良雨

（1.西南电力设计院有限公司，成都　610021；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南　250021；3.国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012）



特高压直流线路黄河大跨越铁塔设计

刘洪昌1，骆强2，杨明3，辜良雨1

（1.西南电力设计院有限公司，成都610021；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；3.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

摘要：黄河大跨越铁塔作为上海庙—山东特高压直流输电线路的关键节点，具有高度大、负荷大等特点，应进行详细地优化设计，以达到安全可靠、经济美观的目的。通过对塔头型式、结构方案进行比对，推荐ZKT直线跨越塔采用展翅型钢管塔，同时对铁塔的口宽坡度、隔面型式、节点处理等进行了详细设计优化，并设计了人性化高、经济性好的附属设施方案。

关键词：黄河大跨越；塔头型式；结构优化；材料；连接；附属设施

0　引言

±800 kV上海庙—山东特高压直流输电线路工程是我国西电东送、优化能源配置的重要特高压线路，通过输送绿色能源，对东部的大气污染防治起到有效缓解作用。本工程在枣包楼处跨越黄河，跨越方式采用“耐—直—直—耐”，耐张段长度为2 766 m，档距分布为724 m、1 037 m、1 005 m，其中两岸直线跨越塔呼高均采用100 m。

大跨越作为输电线路的关键节点，且高度大、负荷大，有必要进行详细地优化设计，以达到安全可靠、经济美观的目的［1］。

1　塔型选择

导线和地线的布置，除满足电气间隙要求及导地线发生舞动时的绝缘间隙外，还应考虑杆塔结构布置的合理性。本工程大跨越塔塔头型式的优化原则是：在满足电气间隙的前提下，塔头尺寸尽量合理紧凑，同时保证塔头结构布置简洁、传力清晰。

根据电气间隙以及地线对导线的保护要求，大跨越塔的塔头布置一般有导线、地线横担分开布置和导线、地线复合一体横担布置两种类型，4种布置方案。地线挂线部位设计采用三角外悬结构，外力通过三角结构直接传到横担主材，结构稳定，力传递路径简捷，适当的外悬长度还可减小横担端部尺寸及坡度。不同塔头布置型式的比较见表1。

通过比较，方案1展翅型外形舒展美观，同时电气间隙配合较紧凑，结构受力简洁。与其他方案相比，其塔身高度低，杆塔所受风荷载小，同时横担长度有所减小，塔重小。目前，±800 kV哈密—郑州特高压直流线路、±800 kV灵州—绍兴特高压直流线路等工程的大跨越直线塔均采用该种塔头型式，运行状况良好。因此，ZKT直线跨越塔采用方案一展翅型。

表1　跨越塔塔头型式比较

2　结构方案选择

目前，国内外已建成的大跨越塔型主要有钢筋混凝土塔、角钢塔和钢管塔等型式。其中，钢筋混凝土塔只在钢材价格较高的情况下才有一定的优越性，但其自身质量大，对地质条件要求高，基础材料耗量大，且混凝土塔筒的浇制质量较难控制，以往的大跨越工程中曾不同程度地出现过裂缝、露筋、鼓肚、狗洞等现象。因此，本工程跨越塔不采用混凝土塔。角钢塔、钢管塔目前均有工程应用经验，其对比结果见表2。

从结构受力特性来看，由于大跨越杆塔高度高，塔身风压对杆件内力的影响很大，经初步计算大跨越塔塔身风荷载占整个杆塔系统风荷载的比重为50%～60%，所以选用塔身风荷载效应较小的钢管塔结构型式尤为重要［2］。

从加工制造方面来看，目前国内加工钢管塔已不存在技术问题，许多加工厂都具备了轧制大尺寸圆形钢管的能力，而且加工质量都比较好。

施工安装方面，钢管塔的构件数量与组合断面角钢塔相比，可减少60%以上，这对铁塔运输和吊装中杆件的核对、堆料、组装等提供诸多方便，可以缩短安装周期，施工质量容易控制，也有利于施工安全。

表2　角钢塔与钢管塔对比

另外，在国内外钢管塔已具有良好的设计、施工、运行经验。早在20世纪70年代开始国内先后成功设计了一系列的钢管塔，±660 kV宁东—山东直流工程黄河大跨越、500 kV滨州—东营—寿光黄河大跨越、±800 kV哈密—郑州直流特高压黄河大跨越等工程均采用了钢管塔，设计、施工、运行经验丰富。

因此，ZKT直线跨越塔采用钢管塔。

3　塔身结构优化

3.1塔身截面选择

塔身截面主要有方形截面和矩形截面两种，方形截面刚度较强，对于跨越塔，塔高较高，横向的水平风荷载较大，为保证跨越塔在纵向、横向的整体刚度，推荐跨越塔塔身断面采用方形。

3.2塔身坡度的优化

塔身坡度取值对铁塔单基重量有着重要影响，它直接影响主、斜材的规格。塔身坡度越大，主材受力越小、基础作用力也越小，但斜材长度增加；反之，主材受力加大，基础作用力也加大，但斜材长度减小。合理的塔身坡度应使塔身主材应力分布的变化与材料规格的变化相协调，使主材受力均匀；同时，还应考虑到塔身坡度对铁塔占地面积和基础造价的影响，力求做到铁塔和基础综合造价最低。

为此，对ZKT直线跨越塔塔身上段坡度（坡度范围0.055～0.090，级差0.005）和下段坡度（坡度范围0.09～0.13，级差0.01）分别进行了优化计算，结果见表4及图1。

表4　不同坡度组合下对应塔重

图1　ZKT塔重随塔身坡度变化关系

从图1、表4可见，塔身上段坡度取0.075、下段坡度取0.11时，塔重指标最低。因此，根据塔重最轻原则，推荐本工程跨越塔塔身上段坡坡度取0.075、下段坡度取0.11。

3.3塔身隔面优化

合理的设置塔身横隔面，可有效地增加结构的抗扭刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、均衡塔身构件内力具有明显的作用。

根据构造要求：在铁塔塔身变坡处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿顶部断面处必须设置横隔面；在塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度的5倍，也不宜大于4个主材分段。当大跨越杆塔要设置铁塔攀爬机时，为了使其水平风荷载能有效地传递至塔身，且考虑登塔设施在塔身中段的停靠，横隔面设置的间距不宜过大，建议不超过40 m。常用的隔面型式见图2。

图2　钢管塔中常用的隔面型式

大跨越钢管塔的横隔面型式应力求简洁，可靠，传力清晰，同时考虑爬梯及攀爬机轨道风荷载的传递。与型式c相比，型式a无法有效传递攀爬机轨道的风荷载，型式b隔面不能形成筒型结构，不利于铁塔组立时悬浮抱杆的架设，型式d布置复杂，传力不够简洁，因此推荐采用隔面型式c。

4　节点优化

一般情况下，钢管塔是按空间桁架模型做整体计算，节点均为铰接，但实际设计中节点处理并不是完全铰接。一般来说，节点处的主管是连续的，与支管的连接可以是铰接也可以是部分刚性连接。这样既可以提高塔的整体刚度和稳定性，又不至于造成过大的计算误差。

铰接一般用于钢管塔主管与支管间的连接，主要连接型式为插板连接。部分刚性连接主要分两大类：法兰连接和相贯焊缝连接。

4.1法兰连接

在钢管塔结构中，法兰连接［3］节点往往采用有加劲肋的刚性法兰、无加劲肋的柔性法兰和锻造法兰，如图3～5所示。

图3　刚性法兰节点

图4　柔性法兰节点

图5　锻造法兰

刚性法兰刚度较好、强度较高，但是大量的手工焊接工作量使得法兰的加工效率低下。柔性法兰尽管省去了大量的加劲板的焊接，但是其刚度较差，法兰的螺栓受到法兰端部的翘力作用，影响法兰整体的受力性能。锻造法兰在1 000 kV皖电东送工程中广泛应用，采用对焊带颈法兰，焊接工作量大大减少、法兰刚度能得到保证，且生产效率大大提高。但锻造法兰单价较高，且锻造法兰需与被连接的两个钢管规格相匹配，每个型号的锻造法兰均需制作相应模具，需求量较少时采购十分困难。

鉴于大跨越工程的重要性并结合采购难易度，ZKT直线跨越塔法兰连接推荐采用刚度大、连接可靠的刚性法兰。

4.2相贯焊缝连接

钢管塔的杆件交汇点一般优先采用相贯线焊缝连接。其优点在于刚度和承载力大，不用辅助连接材料，用钢量小，但是相贯线和坡口切割质量要求较高；当焊缝较厚时，焊缝残余应力和变形较大。

对于导线横担主材与塔身主材的连接以及受力较大的斜材与主材连接，推荐采用相贯线焊缝连接。

4.3插板连接

插板连接［4-5］，连接螺栓受剪，属于铰接，相比相贯连接和法兰连接加工方便，安装也更容易，但节点刚度较小。

根据形状进行分类，插板主要分为槽型插板、U型插板和十字插板等3种型式。

槽型板连接如图6所示。本连接方式属于单剪连接，支管通过焊缝将力传递给槽型板，槽型板通过螺栓传递给连接板，连接板再通过焊缝传递给主管，该连接方式节点存在偏心，但其加工安装方便，适用于辅材和受力较小的斜材。

图6　槽型板连接

U型板连接如图7所示。本连接方式通过支管上的U形插板和主管上的连接板之间螺栓的双剪来传递内力。支管通过焊缝将力传给U形板，U形板通过螺栓将力传给中间插板（连接板），连接板再通过焊缝将力传给主管。与单剪连接相比，节点不存在偏心，承载力较大，相比相贯连接用钢量较省，但该连接方式节点侧向无支撑，受压时局部稳定较弱，因此，只适用于受拉构件。

图7　U型板连接

十字型板连接如图8所示。本连接方式属于双剪连接，节点不存在偏心，承载力较大，相比U型插板加工和安装比较方便，且该连接方式局部稳定性较好，适用于受力较大的斜材和不适合采用相贯连接的杆件。

图8　十字型板连接

5　附属设施

5.1登塔设施

为确保在各种实际及突发情况下，检修维护人员均可进行登塔作业，同时，确保作业人员可到达铁塔任何位置，大跨越铁塔应包括多种登塔途径，包括载人提升装置、爬梯或旋梯、脚钉或脚钉管等。

ZKT直线跨越塔全高104.5 m，塔高较大，人工登塔措施推荐采用脚钉及沿塔面的斜爬梯。除此之外，该塔还需设置动力载人提升装置。目前，常用的大跨越铁塔动力载人提升装置包括攀爬机［6］（见图9）、施工升降机及井筒式电梯3种方案。结合本工程的实际情况，各方案对比如表5～6所示。

图9　攀爬机结构

通过对比可以看出，攀爬机每次安装、拆卸不超过15 min，具有装拆简便，耗时最短，对铁塔受力影响最小，成本最低，自备电源等优点。与攀爬机相比，施工升降机和井筒式电梯挡风面积大，施加给铁塔的风荷载大，因此对铁塔影响较大；需要专人维护和保养，检修维护工作复杂繁琐，维护成本较高；需要设置外接电源，使用不便；造价高。因此，本工程呼高100 m的两基跨越直线塔推荐采用攀爬机的动力载人提升装置。

表5　动力载人提升装置技术特性对比

表6　动力载人提升装置造价对比　万元

5.2休息平台及步道

为减轻施工、检修人员的劳动强度，提高人身安全保障，本次跨越塔设计还考虑了附属设施。

跨越塔塔身分段装设休息平台，并与斜爬梯转向小平台和攀爬机停车位置小平台紧密相连，方便人员上下；跨越塔横担、通往航空障碍灯处以及连接休息平台和攀爬机处均应设置安全走道，宽度为650 mm，两侧设置1.2 m高的护栏，如图10所示。走道应与登塔设施或休息平台相连，并能到达各挂线点和需要维护设备的位置。

图10　横担走道

6　结语

对±800 kV上海庙—山东特高压直流输电线路黄河大跨越铁塔进行选型和优化设计采用ZKT直线跨越塔，外形尺寸和间隙圆见图11。塔头型式为展翅型，杆塔材料为钢管塔，塔身截面采用方形截面；最优尺寸为头部开口宽度6.8 m，采用1次变坡，上段坡度0.075，下段坡度0.11；塔身合理设置隔面，提高塔身抗扭刚度；主材与主材连接及构件开断连接采用刚性法兰，横担主材与塔身主材的连接以及受力较大的斜材与主材连接采用相贯线焊缝连接，对刚度要求较小的节点采用插板连接并根据受力特性合理选择槽型插板、U型插板或十字型插板。对附属设施进行设计，人工登塔措施为脚钉及沿塔面的斜爬梯，同时设置攀爬机作为动力载人提升装置；在塔身适当位置设置休息平台，横担及连接休息平台和攀爬机处设置走道，减轻施工、检修人员的劳动强度，提高人身安全保障。

图11　大跨越塔外形及尺寸

参考文献

［1］GB 50790—2013±800 kV直流架空输电线路设计规范［S］.

［2］DL/T 5504—2015特高压架空输电线路大跨越设计技术规定［S］.

［3］DL/T 5254—2010架空输电线路钢管塔设计技术规定［S］.

［4］韩大刚，黄兴，肖兵，等.“皖电东送”工程特高压钢管塔设计总结及建议［J］.电力建设，2013，34（4）：85-90.

［5］李茂华，杨靖波，李正良.输电线路钢管塔插板连接节点试验研究［J］.武汉大学学报（工学版），2012，45（4）：495-499.

［6］单军.铁塔攀爬机在大跨越塔上的应用研究［J］.宿州学院学报，2013，28（8）：89-91.

Tower Design of UHV DC Transmission Line Crossing the Yellow River

LIU Hongchang1，LUO Qiang2，YANG Ming3，GU Liangyu1
（1. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2. Economic & Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3. State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:As a key node of the Shanghai-Shandong UHV DC power transmission line，the tower for long span crossing the Yellow River has features of high height，heavy loads，etc. It is necessary to optimize the design of tower in detail，so as to achieve the purpose of safety，reliability，economy and beauty. Compared type of the tower head and structure scheme among towers，the scheme that ZKT straight line crossing tower adopted wings type steel tube tower is recommended. The width，slope，cross sections，and connection joints of the tower are designed in detail. Finally，assistant facilities with high humanization and great economic are proposed.

Key words:long span crossing the Yellow River；tower head type；structure optimization；material；connection；assistant facility

中图分类号：TM754

文献标志码：A

文章编号：1007－9904（2016）05－0014－05

收稿日期：2016-04-10

作者简介：

刘洪昌（1987），男，工程师，从事输电线路结构设计工作。