某330 kV输电线路铁塔利旧分析

王永华, 查传明，陈国庆,孙家文,华 东,李文强

(1.国网新疆电力有限公司经济技术研究院，乌鲁木齐 830000;2.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司,乌鲁木齐 830000;3.国网吉林省电力有限公司经济技术研究院，长春 130062)

随着输电线路工程建设增多，新建线路工程受廊道及地理环境影响，有时会存在铁塔利旧的现象。针对新建输电线路工程中存在的铁塔利旧问题，新建工程的气象条件和导地线型号与原有铁塔的设计使用条件不一定完全相符，此时需要认真分析工程设计条件。利旧时，需对原有铁塔进行校验，避免出现以小带大的情况。

1 设计原理

输电铁塔结构一般采用杆单元的拉、压构件进行计算，铁塔各杆件承受或拉或压的轴力，不考虑弯矩的影响，因此结构计算时主要为杆件的轴心受拉强度、轴心受压强度及压稳强度计算。

极限状态设计表达式采用荷载、材料性能、几何参数标准值以及各种分项系数等表达。

1.1 承载能力极限状态表达式

γo(γGSGK+Ψ∑γQiSQKi)≤R

(1)

式中：γo为杆塔结构重要性系数，重要线路不应小于1.1，临时线路取0.9，其他线路取1.0；γG为永久荷载分项系数，对结构有利时不大于1.0，不利时取1.2；γQi为第i项可变荷载的分项系数，取1.4；SGK为永久荷载标准值的效应；SQKi为第i项可变荷载标准值的效应；Ψ为可变荷载组合系数，正常运行取1.0，事故、安装及不均匀覆冰取0.9，验算取0.75；R为结构构件的抗力设计值。

1.2 轴心受力构件强度计算

N/An≤mf

(2)

式中：N为轴心拉力或轴心压力设计值；m为构件强度折减系数，按技术规定取值；An为构件净截面面积；f为钢材的强度设计值。

1.3 轴心受压构件稳定计算

受压构件的稳定计算，考虑了截面的不同形状和尺寸、不同的加工条件及相应的残余应力，并考虑0.1%的初始弯曲，得出多条柱子曲线，即λ-φ关系曲线供设计使用。按构件截面分为a、b、c三类。构件稳定计算的表达式如下：

N/(φA)≤mNf

(3)

式中：A为构件毛截面面积；mN为压杆稳定强度折减系数，即翼缘板自由外伸宽度b与厚度t之比(图1宽厚比b/t)计算确定，B为角钢肢宽，b、w为翼缘板自由外伸宽度，t为角钢肢厚，x为角钢平行轴，x0为角钢对称轴，y0为角钢最小轴，Z0为角钢重心线，R为内圆弧半径；φ为轴心受压构件稳定系数。

图1 角钢构件计算示意图

2 设计条件对比

某330 kV输电线路工程总长度约35 km，分为10、15和20 mm重冰区3段。其中15 mm冰区为单回路架设，导线型号为2×JL/G1A-300/50型钢芯铝绞线，地线一侧为1×19-13.0-1370-B(GJ-100)钢绞线，另一侧采用OPGW-15-120-2(36芯)光缆；气象条件为：最大风速27 m/s，覆冰厚度15 mm。

在设计过程中业主提出要求，要利旧另一条330 kV线路拆除入库的铁塔，可根据工程实际情况进行折减条件使用。通过搜集资料得知，原有330 kV线路工程使用国网通用设计中铁塔3A2系列[1]，该系列铁塔设计条件导线型号2×JL/G1A-300/70型钢芯铝绞线，地线JLB-120铝包钢绞线；气象条件：最大风速27 m/s，覆冰厚度10 mm。

根据GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[2]、DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[3]和DL/T 5440—2009《重覆冰架空输电线路设计技术规程》[4]相关规定，330 kV架空输电线路为二类工程，覆冰厚度15 mm地区定义为中冰区，覆冰厚度10 mm地区定义为轻冰区，两个冰区的设计要求有所不同。如将3A2系列轻冰区铁塔用于覆冰厚度15 mm的中冰区工程，需对该系列铁塔按实际使用条件进行验算，以确定是否满足设计规范要求，现将两个系列的铁塔设计条件进行比较, 3A2系列塔型和本工程设计导线参数对比见表1，地线参数对比见表2。

表1 3A2系列塔型和该工程设计导线参数对比

表2 3A2系列塔型和该工程设计地线参数对比

3 直线塔设计条件比较

以3A2-ZMC2-39m塔为例，将该塔型的原有设计条件进行初步折减，将原有3A2系列直线塔设计条件与该工程设计要求条件进行比较分析，见表3、表4。

表3 3A2-ZMC2直线塔与该工程设计档距验算对比 m

表4 3A2直线塔和该工程实际直线塔设计覆冰厚度和断线工况张力差百分比对比

3.1 不均匀覆冰工况计算要求

3A2直线塔和该工程实际直线塔设计参数对比如下。

3A2直线塔：所有导、地线同时同向有不均匀覆冰的不平衡张力，使杆塔承受最大的弯矩。

该工程实际需要考虑2种工况(有2个参数)，第1个参数除了和3A2直线塔相同外，还有第2个参数，即所有导、地线同时不同向有不均匀覆冰的不平衡张力，使杆塔承受最大的扭矩。

对中冰区铁塔，要比轻冰区铁塔增加计算不均匀覆冰条件下铁塔抗扭工况。

3.2 不均匀覆冰工况导线张力差百分比对比

不均匀覆冰工况导线张力差百分比3A2直线塔是10%，该工程是15%，张力差百分比不同，对中冰区，还需判断一侧覆冰率100%，另一侧覆冰率30%的情况，张力差百分比取大值。

3.3 不均匀覆冰工况地线张力差百分比对比

不均匀覆冰工况地线张力差百分比3A2直线塔是20%，该工程是25%，张力差百分比不同，对中冰区，还需判断一侧覆冰率100%，另一侧覆冰率30%的情况，张力差取大值。

根据上述分析，通过计算可得出3A2直线塔原有设计条件与该工程实际条件下的断线工况和不均匀冰工况导地线张力差对比(见表5)。

表5 3A2直线塔原设计条件和该工程实际设计条件导地线张力差对比 N

由表5对比可知，该工程实际直线塔与3A2系列直线塔相比，断线工况下导线张力差增加了31%，地线张力差减少了14.9%；不均匀冰工况下导线张力差增加了185.2%，地线张力差增加了108.1%。

4 直线塔有限元分析

利用有限元软件ANSYS建立3A2-ZMC2铁塔模型，并进行模态分析。为简化模型，将铁塔杆件模型建立成梁单元，按照实际工程荷载，将荷载输入模型中，因该塔型为高低腿铁塔，模型选择呼高为33 m的铁塔模型，见图2。

图2 直线塔模型

加载荷载后，以39 m呼高为例，模型位移云图见图3。

图3 模型位移云图

由图3可以看出，铁塔模型最大位移值为0.021 538 m。

该塔型为悬垂直线自立式铁塔，根据GB 50545—2010，悬垂直线自立式铁塔的计算挠度限值为3h/1 000，此处h为杆塔最长腿顶面至计算点的高度。铁塔39 m呼高的铁塔总高度为48.1 m，计算挠度限值为0.144 3 m。由计算得知，本铁塔最大位移值远小于计算挠度限值，说明在实际使用条件下，该铁塔能够满足塔头位移要求。

为继续研究该铁塔利旧情况，现分别选择塔身4-7、15段主材、斜材为研究对象，主材角钢有3种规格，斜材角钢有5种规格，见表6。

表6 主材和斜材角钢规格的选择 mm×mm

验算条件下，6段主材杆件的应力比为97.1%，此段主材需要稍微增大规格。塔身斜材的应力比均超过1.0，应力比由上往下逐渐减小，其中塔身4段第一组交叉斜材应力比为161.9%，腿部隔面上部交叉斜材应力比为128.1%，塔身所有斜材均不满足设计要求，需要全部进行更换。

为更加直观地研究铁塔主材、斜材，在分析铁塔模型有限元之后，提取了相关数据，见表7、表8。可以看出，主材角钢需要满足要求，而斜材角钢的计算应力大于允许应力，应力百分比全部超过100%，意味着要替换塔身4-7、15段的所有斜材，故如将3A2系列铁塔用于本项目，将会产生大量主斜材更换问题，估算更换质量比例约为塔身质量的30%以上，导致原有铁塔材料的浪费，且部分杆件因内力增大导致端头连接螺栓数量不足，需增加连接螺栓，包括连接板也要进行相应更换[5]。

表7 主材计算应力及百分比

表8 斜材计算应力及百分比

该工程与3A2系列铁塔设计气象条件中风速取值相同，仅仅是覆冰厚度由10 mm增加到15 mm，且本工程导线钢芯截面积小于原3A2系列铁塔设计条件，经实际建模验算发现，如将原有3A2系列铁塔用于该工程，存在以下问题：

a.原有直线塔杆件更换较多，塔材更换比例达到30%以上，且部分杆件的端头螺栓数量不足，连接板也需要相应更换，厂家需要重新进行放样；

b.因杆件更换数量较多，施工单位调换材料较多，施工难度较大；

c.在铁塔施工阶段容易发生杆件混用情况，造成本应该更换的杆件未按要求调整，对后期线路安全运行构成隐患，故建议原有利旧铁塔不用于本工程，而是按原设计条件在相同气象区工程使用，避免因设计条件变化引起大面积的材料更换问题[6]。

5 结论

通过对某330 kV线路工程原3A2系列铁塔利旧分析，铁塔原设计条件与新工程实际情况不符，并通过有限元计算，对铁塔主斜材进行分析对比，原铁塔需要替换的杆件较多，且施工难度较大，因此，该工程不推荐采用该塔型铁塔利旧方案；此外，铁塔利旧情况复杂，经验算满足设计要求后方可利旧使用。