浅析钢管杆的优化设计

谢东进

摘 要：在城市现代化建筑结构中，输电线路是保障城市电力设施运行的基础设备。在高压输电线路中，钢管杆起到一个支撑电网线路的作用，优化钢管杆设计，对人们的生活用电尤为重要。该文主要分析了钢管杆结构各方面的优点和参数，对钢管杆结构的优化设计进行探讨。为了加快城市电网的建设，必须全方面地优化高压线路钢管杆的设计，做到节约材料、科学先进、降低能源成本。

关键词：钢管杆 挠度 结构 优化 设计

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0032-02

随着社会的进步和发展，我国的输电线路也在不断发展，各种现代化电器逐渐出现，人们在生产生活中越来越离不开电能，对电力的质量和需求量逐渐提高。输电线路钢管杆作为电网的基础设施，不仅影响着电能的输入和输出，同时对经济的发展和社会的进步起到至关重要的作用。传统的角钢塔体积庞大，占地面积广，但是现代化城市征地紧张，这种角钢塔不符合现代化城市建设的标准。目前，很多城市开始采用钢管杆，钢管杆强度比较大，体积比较下，安装使用方便。但是其造价比较昂贵，必须优化钢管杆的结构设计，缩小成本，多方面考虑综合因素，分析钢管杆结构的各个参数，保障钢管杆结构设计的合理性、经济性。

1 高压架空输电线路和钢管杆的概述

在电网系统中，高压架空输电线路是主要部分，其中包括了杆塔、杆塔基础、电缆、导地线等，施工难度比较大。需要计算出电缆、导线和杆塔之间的安全距离，杆塔起到支撑导线的作用，保障地面和导线以及相间之间的安全距离。杆塔结构设计的是否科学合理，直接影响到电网的安全性、可靠性。建设输电网络的效率、成本、运行和后期维护都与杆塔结构存在主要的联系，所以在设计杆塔结构时，必须综合考虑输电线路的安全性和经济性，根据实际情况进行选择杆塔。

钢管杆是目前输电线路杆塔中常用的材料，其根据截面形式分为环形、多边形两种。环形的钢管杆可以相互套接，在安装成杆塔时，可以分段进行焊接，但是焊接的接头防腐蚀能力比较差。多边形的钢管杆可以在几段之间套接，可以分段进行镀锌热浸工艺，防腐蚀的能力非常好，而且在现场安装起来简单、方便。环形钢管杆和多边形钢管杆在外线上进行对比，可以看出，多边形钢管杆的造型比较美观，尺寸和结构比较匀称，线条优美，所以在钢管杆的实际使用中经常运用多边形的钢管杆。

2 钢管杆结构的优点

在高压架空输电线路中运用钢管杆结构，柔韧性比较好，在大风的作用下能够保障电力的稳定输送。钢管杆结构和传统的角钢塔相对比，具备以下几个优点。

2.1 结构简单、使用安装方便

无论单回路、双回路或多回路的钢管杆，按其用途可分为直线杆、转角杆、耐张杆、终端杆、分支杆等。各类型的钢管杆均可在现场安装，比铁塔简单方便，在钢管杆组立施工时，可以采用分件的形式，运输到现场进行组装，减少了安装的步骤。传统的角钢塔需要进行铁塔地基处理工作，需要进行前期一系列的准备工作，钢管杆的安装缩小了工程步骤，提高了安装效率。

2.2 体积小、占地面积少

随着城市建设速度的加快，各种高楼拔地而起，对城市土地的需求越来越大，为了减少土地使用量，在输电线路建设时，将更多地把杆塔建设在绿化地带和道路边缘。但是传统的角钢塔占地面积大，一般的道路边缘和绿化地带无法满足角钢塔的占地面积大的要求。钢管杆的体积小，不需要大面积的地基，占地面积少，可以在道路边缘和绿化地带安装，同时搬迁简单，易拆卸，满足现代化城市建设的需要。

2.3 符合城市的美观要求

现代化城市的发展进步，人们逐渐关注城市建筑物的面容，能够从城市建筑物上看出整个城市的文化涵养和精神风貌。钢管杆整体造型新颖、美观大方，集输电与美化环境于一体，结构和尺寸比较匀称、线条优美。钢管杆结构保持一种现代高科技的感觉，能够让人眼前一亮，吸引人们的注意，提高城市的整体形象。

3 优化钢管杆结构的主要参数

3.1 钢管杆的主截面形状

目前，最常用的钢管杆截面形式为多边形和环形，虽然环形截面的钢管杆惯性矩最大，能够平均分配受力，但是其焊接加工存在问题，防腐蚀能力不足，所以在输电杆塔中经常使用多边形钢管杆。针对该院在广东地区多年的设计经验，在钢管杆设计时，电压为35 kV及以上时，采用十二边形的钢管杆。电压荷载越高，钢管杆越趋近于环形。多边形的边数受电压的影响，荷载越大，边数越多的钢管杆受力越好，所以需要优化钢管杆的截面边数，设计合理的加工工艺。

3.2 钢管杆的挠度

钢管杆的受力特点与一般的自立式铁塔不同，它是通过钢管杆杆身的偏心弯矩将上部荷载传到基礎，而且钢管杆底部的外径比铁塔的根开小得多，因此钢管杆具有较大的柔度。在《架空送电线路钢管杆设计技术规定》（DL/T5130-2001）中，对钢管杆的变形限制比自立式铁塔宽松得多。在荷载的长期效应组合作用下，直线杆的最大挠度为不大于杆身高度的5/1 000，直线转角杆的最大挠度为不大于杆身高度的7/1 000，转角和终端杆：66 kV及以下的电压等级最大挠度为不大于杆身高度的15/1 000，110～220 kV电压等级最大挠度为不大于杆身高度的20/1 000。在设计钢管杆结构时，需要以挠度对钢管杆结构进行控制。如果只关注钢管杆的强度，当运行时钢管杆的挠度超过标准，会影响到结构的美观，但是挠度满足结构标准，那么钢管杆的强度会超标。所以在安装钢管杆时，应当采取措施降低钢管杆挠度，主要有两种方法：一是在加工时预测出钢管杆的弯度，这种方法产生的效果非常好，但是难以预测准确。二是在加工时预偏，这种方法操作简单，但是效果不佳，很容易造成变形，温度等因素的影响也会造成挠度值预测不准。

3.3 主杆的坡度

杆塔的负荷大小决定了主杆的坡度，当钢管杆受到较大的负荷时，包络图的弯矩斜率就会越大，主杆的坡度就要更大，从而保障钢管杆能够承受负荷力。 但是受到挠度控制的限制，主杆的稍径不能太小，但是主杆的坡度增大后必然会造成主杆的根径增大，对钢管杆结构的美观存在严重影响，同时浪费了材料。所以在选择主杆梢径和坡度时，要严格控制好钢管杆的使用量。在优化钢管杆结构设计时，需要综合考虑不同荷载环境下，主杆的梢径、坡度和根径，精细计算重量，节约钢材用量，最大限度地保障钢管杆的强度，设计出主杆坡度的最佳优化方案。

3.4 杆身的分段长度

钢管杆的杆身壁厚在不断变化，所以要分为几段，但是受到镀锌热浸工艺、运输、模压等条件的影响，所以杆身的分段长度必须控制在10 m左右，当钢管杆的壁厚变大时，就应该按照加工设备的能力适当缩少每段的长度，否则会影响钢管杆的压制成型。设计科学合理的钢管杆分段长度，能够减小钢管杆的应力作用，提高每段杆身的使用效率。

4 钢管杆结构在高压架空输电线路中的优化设计方案

钢管杆结构主要为了给高压架空输电线路而服务的，所以必须在满足输电线路荷载和安全的条件下，优化钢管杆结构，应该从多方面来考虑，提高钢管杆的强度和稳定性。

（1）在设计钢管杆时，应该考虑到气象条件影响，可以根据附近输电线路的运行情况分析，根据研究表明，钢管杆的寿命很大程度取决于它所处环境的大气质量。钢管杆在投入使用后长期暴露在大气中，且使用期限长，防腐是一个必须认真考虑、认真对待的问题。

（2）现阶段钢管杆的钢材一般采用Q235，Q345，强度不大。回路比较多，承受荷载比较大时，导地线复杂的杆塔，可以采用高强钢管材料，不仅提高了杆塔的强度，同时降低了材料使用量，节约成本。

（3）合理设计杆塔结构，回路比较少的杆塔，可以采用多边形杆。

5 结语

通过对高压架空输电线路中钢管杆结构的优化设计分析，在钢管杆结构设计中需要综合考虑各个参数，才能保障钢管杆的稳定运行。随着科学技术的发展，要引进更加先进的技术和设备，才能使钢管杆的优化设计进行得更好。

参考文献

[1] 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].北京：中国电子出版社，2003.

[2] DL/T5130 2001，架空送电线路钢管杆设计技术规定[S].2001.