输电线路铁塔结构设计优化探讨

柳文旭 沈阳电能建设集团有限公司联发设计分公司

我国电力工程的主要任务是进行电能的生产与运输，因此输电线的效率将直接影响工程的质量。电能是一种较为危险的能源物质，在对其运输的过程中要注意保证安全性。一般情况下，输电线路处于较高的位置，在进行设计时，需要考虑稳定性，大跨越铁塔结构就是一种较为常见的支撑结构，在输电线路中有着较好的应用。在工程设计过程中，要根据现实情况对这一结构进行简单调整，使其在发挥作用的同时，降低所需成本。

一、我国输电线路铁塔结构设计的现状

我国上百年来都是应用铁塔架空电线来输送电能，而且随着我国经济的增长，人们对电能的需求量也开始增加，相应的，这就促使着电容量也需要增加。但是受我国地域宽广的影响，我国使用的电源地点呈分散型特点，很多电量需要依靠电线来实现传输，因此铁塔就随之应运而生。正是我国这种地域宽广的特色，在铁塔的设计过程中，需要考虑到一条完整的线路，需要经过特别负责的实际状况，才能实现传输，也就是说，设计过程中，一定要考虑到地形、气候以及电压等级等带来的影响，因此这就给设计人员带来了挑战。其需要对当地的情况进行实地考察，根据考察的实际情况来设计出符合当地特点的输电线路，以此来实现电路的传输。

二、输电线路铁塔结构设计优化

（一）杆件布置合理

在开始进行杆件布置之前，要与电气专业密切配合，领会电气的设计意图。在满足电气要求的前提下，杆件布置力求做到主材传力清晰，构造力求简单，杆件准线尽可能交于一点，减少偏心。平面内同一节点处的两主材夹角要满足170 以上，以避免整体失稳。受压主材的长细比尽量控制在50-70 之间。对于酒杯型、猫头型铁塔的上、下曲臂的内侧主材，根据有关资料和试验，应尽量使用双组合主材，减小连接过程中引起的偏心力，受力较大的杆件选用双角钢后，螺栓由单剪变为双剪，减少了螺栓数量，减小节点板尽寸，还减小了风荷载的作用力。合理设置斜材、辅助材，使主材、斜材“物尽其用”，使一根主材中，各段同时达到或靠近满应力。斜材、辅助材与主材之间的夹角不得小于150，达到减小斜材受力，达到支撑主材的目的。在单斜材的析架中，斜材的设置应使长的杆件受拉控制，短的杆件受压控制，还应作单、双斜材的经济比较。合理选择塔身的坡度，使塔身准线的交点尽量靠近外力（导、地线负荷及风荷载）的重心，这样塔身主材受力合理，斜材受力最小。根据塔脚弯矩的作用力及拟选用的主材规格，来选用合理的塔脚根开和塔顶宽度，大根开的塔身尽量采用大交叉的斜材型式，主材可分5—6 格。使用K 型腹杆时，采用内置撑杆的V 形式。整个铁塔，力求减少变坡次数，使变形均匀，减少突变。

（二）铁塔塔头的优化设计

鼓形是过往500kV 双回路线路的常规布置形式，采用该种形式布设塔头有形式较为简易、传力直接且明确等特征，以垂直形式排列导线，塔头偏高，若对跨越指标提出要求时，为符合电气对地间距标准，就要提高整塔高程，造成塔身、上层导地线均形成较大的风荷载，不仅增加铁塔建设期间材料的消耗量，还会产出较高的基础作用力。双层横担的V 串塔型也是布设铁塔的常用方法之一，塔头布置形式以三角形为主。对鼓型、双层横担两种布塔形式进行分析，并结合参照已投运的输电线路工程中较成熟的设计成果，发现以上两种布设方式各自均存在一定优势及不足。鼓型塔布设流程相对简洁、传力直接清晰、走廊相对较窄小。V 串双层横担塔布设实践中，利用以三角形式排列导线，该种形式能使塔高大概有10m 的降幅，和鼓形塔相比较塔材用量减少量大概为10%，并且其基础作用力减少率也高于12%，建设期间能取得较好的经济效益。500kV 线路建设期间通常不会对走廊宽窄度提出较严格要求，而对高跨指标作出一定约束，故而本项目建设期间采用由两层横担的V 串塔型进行设计，能明显降低工程造价。

（三）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。

三、结语

随着我国电力行业的发展，输电铁塔在整个输电系统中发挥着非常重要的支撑作用。但是由于我国地域特点，输电铁塔结构的设计具有非常大的挑战性，因此在设计过程中，必须要应用合适的材料，合理地选择铁塔型式，优化铁塔设计，合理地布置钢材，这样才能保证整个输电系统的安全。未来输电线路铁塔结构的设计还需要不断的完善，以此来提高对抗外界给其带来的破坏，保证输电线路的稳定性。