输电塔主材坡度优化设计

赵 勇，明 华

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250000；2.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250000）

0 引言

输电塔结构是输电线路工程中的关键构筑物，其总投资占到线路工程全部投资的30%左右，因此对输电塔结构进行优化设计，对于节约输电线路工程投资具有重要意义。

输电塔结构是一种高耸的桁架结构，作用在其上的主要荷载为导地线、覆冰及自身的重力荷载，导线或者拉线的拉力，安装和检修的各种荷载，风荷载等［1-3］；所有荷载可总结为沿线路方向的荷载、垂直线路方向的荷载和竖向荷载。沿线路方向的荷载和垂直线路方向的荷载主要对输电塔整体产生弯曲作用，竖向荷载主要对输电塔整体产生拉压作用。由于上述大部分荷载均加于塔头部位，因此其对输电塔整体的弯曲效果由塔头部位向塔腿部位而增大，导致输电塔4 根主材受力由塔头部位向塔腿部位增大。同时，在桁架整体弯矩一定时，主材受力大小随主材间距离的增大而减小。因此，为了充分发挥主材的材料性能，输电塔通常采用主材带有坡度的形式，如何合理选择主材坡度，是输电塔优化设计的主要方面。

1 输电塔优化设计

1.1 典型输电塔算例简介

本次计算选取山东地区典型220 kV 单回路输电塔2B3-ZM1、2B3-ZM2、2B5-J1、2B5-J4，其结构布置形式如图1、图2 所示。2B3-ZM1、2B3-ZM2 两型为直线猫头塔，其塔身自猫头下部开始，塔身全塔高度只有一个坡度；2B5-J1、2B5-J4 两型为干字形耐张塔，其塔身部分坡度要大于塔头部分坡度，坡度改变点自横担以下两个节间开始。由于塔头部分尺寸主要由电气间隙控制，因此为减少变量便于比较，本次计算对2B5-J1、2B5-J4 两型干字形耐张塔仅将塔身部分坡度作为变量。

图1 2B3-ZM1、2B3-ZM2 示意图

图2 2B5-J1、2B5-J4 示意图

导地线型号、使用档距和设计气象条件等设计条件对输电塔荷载及结构设计具有决定性意义。上述四型输电塔设计条件如表1 所示。

其中设计用导线安全系数取2.5，平均运行张力取保证拉断力的25%；地线安全系数取4.5，平均运行张力取保证拉断力的25%。

表1 设计条件

1.2 建模计算

本次建模计算采用铁塔满应力计算软件SmartTower。根据工程经验，对直线塔其塔身坡度取值为0.05～0.15，间隔0.005；对耐张塔，塔身坡度取值为0.08～0.2，间隔0.005。计算时，固定塔身上口宽度，通过调整铁塔根开实现塔身不同坡度的变化。

根据工程经验预估并考虑塔身高度划分和结构模数，主材分段上部取为1.2～1.3 m，下部为1.5 m。

最终，模型如图3、图4 所示。

图3 直线塔模型示意图

为了充分研究塔身坡度变化对塔重指标的影响，本次计算不对塔身杆件进行统材。

图4 耐张塔模型示意图

2 算例分析

2.1 计算结果分析

以计算塔重为研究对象，得出计算结果，受力材重量随主材坡度值的变化如图5、图6 所示。

图5 直线塔

图6 耐张塔

由图5、图6 可以看出，主材坡度值的变化对塔重指标具有很大影响，且对于受力更大的2B3-ZM2塔和2B5-J4 塔的影响要大于受力更小的2B3-ZM1塔和2B5-J1 塔。

四型塔主材重量均随着计算范围内主材坡度值的变化而呈现出先下降后上升的趋势。主要原因在于在主材坡度较小时，下部主材受力大，主材选材规格大，造成塔重较大；随着主材坡度的增大，主材内力值下降，主材选材规格下降，同时因斜材长度的增加而增加重量小于主材规格下降而降低的塔重，两者共同导致受力材总重量下降； 随着坡度值继续增大，主材规格继续下降，但是斜材规格开始变为由长细比控制，下降幅度有限，此时因斜材长度的增加而增加的重量开始超过主材规格下降而降低的塔重，总塔重开始呈现上升趋势。

2.2 最优坡度

根据计算结果，在荷载一定的情况下，以塔重作为考核指标，各型塔存在着一个最优的主材坡度值，如表2 所示。

表2 各型塔最优坡度

由表2 可以看出，直线塔的最优坡度远小于耐张塔的最优坡度，且随着荷载的增大，最优坡度值增大。根据本算例计算结果推论，可推测相同导地线型号、设计气象条件的相同系列塔最优化坡度如表3所示。

表3 最优坡度建议值

3 关于新规范的探讨

文献［1］（以下简称《钢标》）已于2018年7月1日开始实施。《钢标》 在 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（以下简称《钢规》）的基础上有较大幅度的调整。其中《钢标》7.5.3 条规定：塔架主杆与主斜杆之间的辅助杆应能承受下列公式给出的支撑力。

当节间数不超过4 时，

当节间数大于4 时，

式中：N 为主杆压力设计值。

而目前电力行业现行的文献［2］中5.1.7 规定：杆塔辅助材在其支撑点所提供的支撑力一般不低于所支撑主材内力的2%、斜材内力的5%。

对比两本规范可见，《钢标》 对杆塔辅助材的支撑强度要求要远弱于《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》的要求。在目前《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》设计原则下，对于220 kV 杆塔设计辅助材绝大多数为电力工程所采用的最小角钢规格L40×3，因此在概念上，按照《钢标》设计的输电塔即使主材内力增大较多其支撑的辅助材规格也不会增大过多。因此，按照《钢标》设计的输电塔其塔重对主材坡度的敏感性将会下降。

新《钢标》7.6.1 规定：当受压斜杆用节点板和桁架弦杆相连接时，节点板厚度不宜小于斜杆肢宽的1／8。

目前电力行业设计输电塔时常用的做法为文献［3］中8.5.3 规定：节点板厚度应等于或大于斜材或横材肢厚。

常用角钢的厚度一般均小于肢宽的1／8，因此，新《钢标》增大了节点板的厚度，更加体现了“强节点、弱构件”的设计原则。

4 结论

经过上述讨论，本文的主要结论如下：

1）主材坡度的变化对输电塔设计的塔重指标有明显影响。

2）杆塔荷载越大，主材坡度对塔重影响越明显。

3）直线塔的塔身最优坡度在0.07～0.09 之间，耐张塔的塔身最优坡度在0.09～0.11 之间。

输电塔设计的相关规范正在大规模更新阶段，《钢标》等相关规范的更新对输电塔设计经验和实务影响很大。相关配套规范进入实施阶段后，需进一步研究新设计规范指导下输电塔设计计算和构造的变化。