我国输电线路杆塔结构研究新进展

张文瀚 杨国峰 张帅

摘 要：特高压电网的建设、输电新技术的推广应用给输电线路杆塔的研究提出许多新的课题，安全可靠、经济合理是杆塔结构研究的主要目标和方向。文章介绍了我国输电线路杆塔结构近年来在荷载取值、节点构造、结构优化、风致振动（塔线耦合振动和钢管塔微风振动）以及新材料应用（高强钢、钢管、耐候钢和冷弯型钢）等方面的研究进展以及工程应用情况。并根据研究现状和社会经济发展需求，提出我国杆塔结构在设计理论和方法、承载性能试验以及新材料应用、新塔型等方面需要进一步研究的内容。

关键词：输电线路 杆塔 进展

0.引言

输电线路杆塔是支承架空输电线路导线和地线并使它们之间以及与大地之间保持一定距离的杆形和塔形的构筑物，其安全可靠性直接关系到整个输电线路的安全运行。在架空输电线路工程中，杆塔建设费用约占本体投资的30%甚至以上，直接决定着线路的经济性。随着我国特高压电网的建设以及同塔多回线路、紧凑型线路、大截面导线等输电新技术的推广应用，输电线路电杆塔大荷载、大型化的趋势愈发明显。“资源节约型、环境友好型”社会的建设、大电网的安全稳定性、气候变化复杂异常对杆塔结构的安全可靠性、经济性、环保性能等都提出了更高的要求，输电线路杆塔结构研究面临新的挑战。

本文对我国输电线路杆塔结构在荷载取值、结构优化、新材料应用、抗风设计等方面的研究进展加以介绍，并且根据研究现状和社会经济发展需求，提出研究需要进一步加强的内容。

1.输电线路杆塔结构研究的主要内容

1.1 杆塔荷载

对杆塔荷载的研究，主要研究结构重要性系数、风荷载重现期、最小设计风速等的取值和杆塔的静力和动力风荷载计算方法以及杆塔荷载的组合和取值原则。结构重要性系数和风荷载重现期，主要基于对结构可靠度指标的分析来确定；风振系数主要针对高塔来进行；荷载组合主要研究导线的断线原则、张力取值以及与风、冰荷载的组合条件。这些外荷载取值的研究，目的是掌握杆塔外部荷载更为合理的作用和变化规律，为杆塔结构设计提供较为客观的依据。

1.2杆塔结构设计方法

杆塔结构设计方法的研究，一方面是研究杆塔结构设计中的分析计算力学模型、杆件承载力计算方法、杆端节点构造设计计算方法等；另一方面是研究杆件选型、塔头型式、塔腿型式、坡度、根开以及塔身断面、塔身斜材、横隔面等的布置与优化方法。目前，铁塔一般按照理想铰接的整体空间桁架来设计。假设节点的约束为理想铰接，将整个塔架作为超静定空间体系，根据平衡条件和变形协调关系求解塔架的内力和变形，再根据强度和稳定性条件完成铁塔设计的选材工作。我国输电线路杆塔结构的设计方法1994 年以前一直沿用前苏联的容许应力设计方法（单一安全系数法），1999 年改為以概率论为基础的极限状态设计法，采用分项系数的设计表达式。

2.我国输电线路杆塔结构研究新进展

2.1杆塔可靠度及荷载取值研究

（1）特高压杆塔可靠度分析 。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内、规定的条件下，完成预定功能的概率。在特高压输电线路目前还缺乏运行、失效等统计资料的情况下，确定特高压杆塔的可靠度可以借鉴现有的 500kV线路的可靠度，并使特高压杆塔结构的可靠度指标与500kV线路的相协调。调查统计分析表明，我国 500kV线路杆塔结构的可靠度指标β≥3.2，基本满足《建筑结构可靠度设计统一标准》安全等级为二级的延性构件目标可靠度的要求。特高压输电线路输送容量是 500kV线路的 5倍左右，且多用于跨区域联网的骨干网架，其可靠度应比 500kV线路高一个等级。按建筑结构可靠度设计标准规定，特别重要的结构安全等级应属一级，特高压输电线路归于一级较为合理，其延性破坏构件的可靠度指标不应小于 3.7。因此，对同类结构 500kV线路实际可靠度的校准及对特高压线路重要性的分析得出，特高压杆塔结构目标可靠度不宜低于 3.7。

（2）特高压杆塔的荷载取值。结构的失效状态与外部作用直接相关，输电线路杆塔主要承受的外部作用是风荷载，因而结构可靠度与风荷载直接相关。按照特高压线路杆塔构件目标可靠度不应小于3.7 的要求，可推算确定杆塔结构重要性系数宜取 1.1，风荷载重现期宜为100年。

2.2 杆塔风振研究

架空线路是由多跨导线与多座杆塔、基础以及附属连接件等组成的连续、耦合的空间体系结构。在目前的线路设计中，通常将各组成部分作为彼此独立的对象分别进行受力分析，不考虑杆塔与导线振动的相互影响。但对于大跨越、特高压和一些同塔多回线路，杆塔与导线之间的振动相互作用明显增强，需要在线路设计和运行中考虑这一耦合振动。利用一塔两线模型分析得到的系统动力特性，与三塔两线等其它更为复杂的模型得到的结论基本一致。导线的边界约束条件对其振动特性的影响也不显著。

2.3 钢管在输电铁塔上的应用研究

圆截面钢管的空气动力学性能好，受力各向同性，截面抗弯刚度大。输电铁塔采用钢管构件，不但可以减小塔身风载荷，还能充分均衡地发挥材料的性能，减小杆件长度，提高结构的稳定性，特别是对于结构几何尺寸较大、杆件较长的大型铁塔，这种优越性更为明显。在受拉杆件中采用的钢管截面与角钢截面相等，此时钢管不显现其优势，主要是由于用钢量相等而钢管造价高。但在压弯构件中，在同时满足稳定的条件下，钢管的截面要比角钢省35%左右，而且在承受风荷载时，钢管的体型系数仅为相应角钢体型系数的0.6～0.8倍，且挡风面积较角钢小 20 %～ 40 %。在满足相同强度、刚度和稳定要求时，当钢管塔呼称高度超过30m 时，其造价就低于角钢塔，而且随着塔高的增加优势愈加明显。根据大量的统计计算和工程经验，在一定塔身坡度时，当钢管塔相对于角钢塔的重量减小超过 20%时，钢管塔比角钢塔造价低。对于那些四拼角钢也不能满足承载力要求的杆塔或者是跨越高塔，以及走廊狭窄或有景观要求的地区（城市及周边、风景保护区等），适宜采用钢管塔。

3.我国输电线路杆塔结构的未来研究方向

3.1设计理论体系

总体来看，我国输电线路铁塔结构设计理论较为传统，需要适应发展需求，形成完善的更为先进的理论体系。常规的设计方法是以线弹性结构分析理论为基础的，如何将结构分析的非线性理论、桁架结构极限设计的理论和方法等现代结构分析方法应用到输电铁塔设计中，需要研究。在加工误差、初位移、初应力对杆件承载力的影响等方面，还缺乏深入研究和明确结论。需要继续研究导线与杆塔、杆塔与基础的相互作用，并在此基础上，研究导线、杆塔以及基础的一体化设计方法。

3.2荷载取值

杆塔荷载的取值，目前偏重于与静力风荷载有关的几个关键参数的研究。对于动力风荷载的取值，还缺乏较为深入和系统的研究。对冰荷载的取值，由于线路地形复杂、幅员辽阔以及可供利用的气象资料较少，目前大多根据调查数据和工程经验来确定，尤其是微地形、微气象区域的冰荷载的取值，研究工作偏弱。对风、冰荷载组合以及与断线工况组合的取值，也需要加强研究。

结束语：

新的发展趋势和新的发展要求对以往的杆塔设计方案和思想都提出了新的挑战，要求在杆塔结构设计方面必须寻求新的突破。这些都要求我们要不断加强杆塔结构的研究工作，为保障线路的安全可靠运行不断提供坚强支撑。

参考文献：

[1]杨靖波，李正，江俊.输电线路铁塔导线耦合振动动力特性研究[J].振动、测试与诊断，2008，（2）.

[2]杨靖波.输电线路钢管塔微风振动及其对结构安全性的影响[J].振动、测试与诊断，2007，（23）.

[3]国网北京电力建设研究院.1000 k V 级交流线路杆塔方案及荷载研究[R].北京：国网北京电力建设研究院，2006.