输电线路铁塔结构设计优化探讨

摘要：怎样在符合铁塔外廓电气间隙及其铁塔工程中所使用的条件下，并考虑铁塔荷载受力状况的同时，合理地、最大限度地减少铁塔各个部位的尺寸及构件，是控制塔型铁塔重量的关键。文章从导线排列方式、铁塔头部外形形式、塔身主材坡度、腹杆布置、塔身断面型式、横隔处理等方面阐述了杆塔优化设计的思路。

关键词：输电线路；铁塔结构设计；塔头；塔重；塔身坡度；横隔 文献标识码：A

中图分类号：TM862 文章编号：1009-2374（2017）03-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.062

本文针对500kV线路工程所设计500SZ直线铁塔进行设计分析。合理选择铁塔的杆塔布置形式、铁塔断面、主材断面型式、主材坡度、腹杆布置等，以确保铁塔的安全可靠。同时应尽可能地对铁塔进行优化，以降低工程造价，保证线路的长期安全运行。

1 铁塔整体结构分析

输电线路工程中，电气专业将铁塔塔型选定、明确之后，让铁塔既满足电气要求，又在结构方面安全、可靠的前提下，使得塔重最轻、外型美观、运行维护方便是铁塔结构优化的主要目标。要实现上述目标，铁塔需在满足构造要求的前提下结合外荷载特点进行优化，使铁塔各部件受力清晰、传力直接、节点处理简单、布材满足其受力特点。

2 铁塔结构设计优化

500SZ直线铁塔选取气象条件为典型气象区覆冰10mm、30m/s风速。该塔型按同塔双回路设计，铁塔呼高为42.0m，水平档距500m，垂直档距650m，导线型号为4×LGJ-400/35（安全系数为2.5），地线型号为JLB40-150（安全系数为3）。

2.1 铁塔塔头优化设计

在以往常规500kV双回路线路中，塔头形式一般布置为鼓形。该塔头布置形式较为简洁，传力清晰，由于导线采取垂直排列方式，塔头较高，当有跨越要求时，为满足电气对地距离要求，全塔高度较高，导致塔身风荷载和上层导地线风荷载较大，塔材耗量和基础作用力均较大。另外一种形式为双层横担的V串塔型，塔头为三角形布置方式。两种塔头形式的比较如下图1所示：

鼓型塔：优点是铁塔挂点简单明确、由上而下受力传递清晰，导、地线的垂直荷载、水平荷载经塔头横担上相应挂点传递到铁塔的身部，同时走廊较窄。缺点为导线采用垂直排列，上下相之间的电气距离要求使得塔头较高，塔重较重，约34800.0kg。

双层横担塔：优点为导线布置采用三角排列，比常规塔头布置减少了一层横担从而有效降低了塔高，导地线风荷载和塔身风荷载降低明显，塔重较轻，约29700.0kg，而且其基础作用力较小。缺点是下导线横担较长，构造复杂，且走廊较宽。

通过以上两种形式的分析，同时参考已投运的工程中的成熟的设计成果，上述两种形式都有各自的优点及缺点。鼓塔型塔头布置较为简洁，传力清晰且走廊较窄；V串双层横担塔，导线采取三角排列方式，能有效降低塔高近10m，塔材较鼓形塔降低约10%，同时其基础作用力也减少12%以上，综合经济效益明显。500kV线路一般对走廊的要求不高且有高跨要求，采用两层横担的V串塔型对降低工程造价显得更有意义。

2.2 铁塔塔身横断面样式分析

一般来说，高压输电线路所用的直线型铁塔的塔身横断面样式，有长方形（即矩形）和正方形。直线型铁塔的水平荷载（即垂直于线路方向，平行于横担方向）大于其顺线路方向的纵向荷载，故此情况下的铁塔塔身横断面为长方形的样式是正确的。但其抗纵向荷载能力较差，而方塔抗纵向荷载能力强。因一般500kV电压等级的线路为主网电源点输出线路，其安全性、稳定性、重要性要求较高，故一般采用正方形横断面的铁塔塔身。

2.3 铁塔塔身坡度优化

对有相同斜材形式的铁塔身部而言，能够对其主材和斜材产生直接作用的是塔身坡度的变化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口宽度和塔脚根开这三个独立的变量确定的，即为（塔脚根开-塔身瓶口宽度）/塔身高度。当塔头形式和呼高确定后，塔身就是一定值，这时塔身坡度就由塔身瓶口宽度和塔脚根开来确定。塔脚根开与塔身瓶口宽度的差值越大，塔身坡度越大；塔脚根开与瓶口宽度的差值越小，相应的塔身坡度越小。在塔身变坡处宽度一定的情况下，塔身坡度的优化实际上就是铁塔根开的优化，铁塔根开的大小会控制塔身主材，进而影响整基塔的重量，同时还会对基础作用力的大小产生较大的影响。塔身坡度越小，铁塔斜材越短。同时，斜材受力也越小，斜材重量将会减轻，但铁塔主材内力将加大，主材规格就越大，根据计算，铁塔主材一般要占整个塔重的40%左右，主材的大小对塔重的影响最大，因此，坡度越小塔重反而会增加。反之，塔身坡度越大，根开就越大，塔身主材内力就越小，主材规格就相应减小，但此时，铁塔斜材长度会增长，内力随之而增大，斜材规格将会急剧增加，斜材基本受长细比控制，很明显，也是不经济合理的。

塔身坡度、铁塔整体的安全稳定以及铁塔重量，三者是相辅相成的，不断变化的，需要反复设计计算，找到三者的契合点。其中，塔身瓶口宽度尺寸一般来说可调节范围较小，但是其甚至影响到整个铁塔的刚度、塔头的稳定性和全塔的重量。

比较不同塔身坡度对塔重的影响，如图2所示：

对本文案例500SZ塔型分析，铁塔的坡度为0.102数值，此时铁塔塔重是最低的，铁塔钢材量最轻，该塔型的工程造价相应最低。

2.4 塔身斜材布置优化

500kV双回路直线塔塔身较长，主要受力斜材布材形式的合理与否，不但影响铁塔本身的受力安全可靠，对铁塔本身的重量和对应工程本体的造价，也是至关重要的。

因此在设计计算中，也需考虑对斜材布材样式的优化。塔身斜材常用的布置型式有“正K型”、“倒K型”、交叉式等布置，以往單一的交叉布置型式容易使斜材产生同时受压，几种方式组合布置可以避免同时受压情况的发生，使斜材受力成为拉压系统，充分利用拉压系统的受力特性（拉杆对压杆的稳定计算起支撑作用），可减小斜材规格，降低塔重。

斜材布置形式和塔身主材分段长度及辅助材布置型式是密切相关的，确定受力斜材与主材的夹角可使斜材布置合理，外观显得协调。夹角大，斜材较平，布置过密，易形成由长细比控制选材，不能充分发挥材料性能。而角度过小，内力加大，会加大选材规格，增加材料长度。结合以往铁塔设计经验可知，当斜材与水平面的夹角控制在35°～45°之间时，塔重较轻。当然，在初步确定布材以后，需要不断对斜材的布置进行调整以使设计趋于最合理化。

2.5 塔身横隔面的布置

一般，对于在变坡处，集中荷载受力处等必须设置受力横隔面。横隔面的形式通过以往工程的经验积累和不断优化，许多已经成为了典型隔面形式。选用合适的形式，优化布置铁塔身部的横隔面，对于向下传递由结构上部外荷产生的扭力、减小塔重、均匀塔身构件内力、减小塔身扭转效应具有一定的作用。

在实际设计的过程中，需要处理好的关键所在是横隔面的上、下间距的优化布置。

3 结语

500kV双回路线路工程所设计直线铁塔塔头采用双层横担的V串塔型，有效降低塔高约10m，较传统的鼓形塔节省塔材约10%。铁塔塔身断面全部采用“正方形”断面，提高铁塔的纵向刚度。合理布置塔身斜材形式及横隔面的间隔。优化铁塔塔身的坡度，在塔重相差不大的前提下，尽量取小坡度，以减小征地范围，有利于环境保护，使铁塔能够安全、经济、可靠，实现“资源节约型，环境友好型”。

参考文献

[1] 110～750kV架空输电线路设计规范（GB 50545-

2010）[S].

[2] 架空送电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T 5154-

2012）[S].

[3] 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册（第二版）

[M].北京：中国电力出版社，2002.

作者简介：朱鸿斌（1975-），男，内蒙古赤峰人，江苏省送变电海能电力设计咨询有限责任公司工程师，研究方向：输电线路结构设计。

（责任编辑：秦逊玉）