大跨越输电塔的发展现状*

沈国辉，余杭聪，余 亮，李布辉，姚剑锋

(1.浙江大学结构工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102； 3.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

我国电力行业发展迅速，电力供应和电网输送能力快速增强，电源和电网结构逐步优化。截至2018年底，全国全口径发电装机容量19.0亿kW，同比增长6.5%，全国发电装机及水电、火电、风电、太阳能发电装机规模均居世界首位。输电塔是电力输送过程中最重要的载体，输电线路需要跨越大江大河，通常采用大跨越输电塔形式。大跨越输电塔的高度越来越高，档距越来越大，塔高、档距不断突破纪录，最高的跨越塔高度甚至已经超过了我国规范中的梯度风高度。

本文对大跨越输电塔的发展历程、设计选型、荷载分析、施工技术和健康监测等方面的研究进行综述。

1 大跨越输电塔发展历程

大跨越输电塔从早期的钢筋混凝土塔，发展到如今常用的角钢塔、钢管塔和钢混结构组合塔。最近30年来，全球建成或在建的部分大跨越输电塔如表1所示。目前已建成的大跨越输电塔中，舟山西堠门大跨越输电塔[1]最高，全塔高380m，而未来几年内将建成的江苏第五过江通道大跨越输电塔全塔高385m。

表1 全球已建成或在建的部分大跨越输电塔

2 大跨越输电塔设计选型

大跨越输电塔具有高度较高、荷载大、结构复杂、耗钢量和投资较大的特点，目前国内常用的大跨越输电塔塔型主要有钢筋混凝土塔、组合断面角钢塔、钢管塔、钢混结构组合塔等形式。

2.1 钢筋混凝土塔

以钢筋混凝土为主要结构的跨越塔，为传统的塔结构，多在20世纪90年代初期建成。受材料特点的影响，该类型塔质量较大，塔的高度存在限制[2]。考虑到当时钢材加工能力和设备水平的限制，采用钢筋混凝土塔比较适合当时的工程背景。典型代表为大胜关长江大跨越输电塔，如图1所示。

图1 大胜关长江大跨越输电塔

2.2 角钢塔

角钢塔在加工、运输、安装、运行方面均有成熟经验。由于大跨越输电塔具有普遍较高、荷载较大以及主材节间距较大等特点，其主斜材断面通常采用角钢组成的格构式断面，角钢之间采用缀条连接。组合角钢具有加工方便、单件质量轻、安装方便、无焊缝等优点。但缺点是缀条、缀板等连接附件所占比例很大，塔型耗钢指标较高。同时，大量缀条和缀板也使得角钢塔的风荷载增大，造价相应提高，因此角钢大跨越输电塔的经济指标相对较差。典型代表为江阴长江大跨越输电塔，如图2所示。

图2 江阴长江大跨越输电塔

2.3 钢管塔

钢管塔断面在各方向受力均匀，在面积相同的情况下，回转半径更大。钢管截面可充分发挥材料强度，改善构件的截面刚度，降低长细比。与角钢塔相比，钢管塔能大大减少辅助杆材的数量，减小铁塔的挡风面积，使得铁塔质量减轻，同时钢管塔整体外形也比角钢塔美观。但钢管塔单根构件较重，在运输安装和镀锌时比较困难，另外钢管塔对钢材材质要求较高，在焊接时工作量较大，加工价格也高[3]。典型代表为螺头水道大跨越输电塔，如图3所示。

图3 螺头水道大跨越输电塔

2.4 钢混结构组合塔

钢混结构组合塔在钢管塔的基础上，在主杆件中加入混凝土和格构式角钢骨架，克服了传统的纯钢管形式主材受径厚比限制、加工困难、层状撕裂等缺陷，同时拥有传统角钢塔架容易加工和制造的优点。在钢管内部加入混凝土可以为薄壁钢管提供侧向支撑，提高抵抗局部屈曲的能力[4]。在内部增加格构式角钢骨架作为钢管混凝土内部型钢，在增大截面惯性矩的同时，也作为脚手架便于施工[5]。考虑到输电塔的节点复杂性，需要对新型结构进行承载力的研究，沈国辉等[6]进行了环形加劲板方向受压钢管节点的承载力研究，陈勇等[7]进行了鞍板和环板加劲K形相贯节点承载力试验研究。钢混结构组合塔的典型代表为西堠门大跨越输电塔，如图4所示。

图4 西堠门大跨越输电塔

3 大跨越输电塔荷载分析

大跨越输电塔的主要控制荷载有风荷载、地震荷载及覆冰脱冰荷载等。

3.1 风荷载

大跨越输电塔具有高度高、外形细长、质量相对较轻、刚度相对较小等特点，一阶自振周期较大，风荷载对其起主要作用。

郭勇等[8]采用风洞试验方法研究大跨越输电塔和塔线体系的风荷载，利用气弹模型风洞试验获得位移和加速度响应，并与时域和频域的计算结果进行对比；沈国辉等[9]针对输电塔顺风向风致响应的各种时频域计算方法的适用性问题，探讨输电塔的响应特征和各种方法的适用性；刘海锐等[10]在ANSYS软件中建立大跨越输电塔有限元模型，并采用时程分析方法计算输电塔在风荷载作用下的风振响应；张欣[11]利用ABAQUS模拟强风下输电塔线体系的倒塌破坏，同时对结构进行了易损性分析及不确定性分析；曾玉洁[12]模拟生成了风雨速度时程，并在ABAQUS中研究了风雨致输电塔线体系的倒塌破坏机理；姚剑锋[13]结合风洞试验、数值模拟与理论分析等手段，研究了大跨越钢管塔的风荷载。

3.2 地震作用

大跨越输电塔线体系跨度大、结构高，且导线具有极强的非线性效应，其结构动力响应复杂，因此受地震破坏作用也较大。

尹鹏等[14]以榕江大跨越输电塔为背景，采用时程分析方法研究输电塔线体系地震响应与输入地震波的关系；牛延宏[15]基于多振动台试验和显示分析方法的有限元计算方法，开展了一系列缩尺模型试验和倒塌破坏的有限元模拟研究；陈龙强等[16]利用ABAQUS进行大跨越输电塔线体系的动力特性分析，并采用时程法对单塔及塔线体系进行双向输入地震响应分析；沈国辉等[17]针对某大跨越输电塔线体系，采用振型分解反应谱法和时程分析法进行考虑三向输入的地震响应研究；魏奇科等[18]考虑地震波沿大跨越线路传播时引起的地震行波效应，研究了纵向地震作用下大跨越输电塔线体系的地震响应特性。

3.3 覆冰脱冰荷载

大跨越输电导线覆冰会导致输电塔承受的荷载大幅度增加，增加杆件屈曲的风险；脱冰则会使输电导线剧烈跳跃，输电导线间距小于电气间隙要求时会引起闪络；导线振动可能会导致断线或者金具破坏，甚至使杆塔受到冲击荷载作用而引发杆塔折损、倒塔等严重事故。

沈国辉等[19]采用有限元数值模拟方法，建立四塔五线的塔线体系模型，模拟覆冰和脱冰现象，获得输电塔线体系的脱冰响应；李黎等[20]利用ANSYS进行塔-线体系脱冰的动力响应分析；刘春城等[21]进行了模拟覆冰条件下五塔四线塔线体系模型的断线冲击响应试验，测得了输电塔薄弱位置杆件的应变时程曲线，研究了塔线体系在不同断线工况下杆塔的动力响应；周洪刚等[22]建立了大跨越输电塔线体系数值分析模型,分析了导线划分精度对输电塔-线体系动力特性的影响；沈国辉等[23]针对分裂导线-间隔棒体系的覆冰脱落问题，分析了分裂导线与合成单导线的覆冰脱落的差异，探讨不同情况下单根子导线脱冰时的响应。

3.4 断线冲击荷载

突然断线使处于绷紧状态的输电线张力迅速释放，塔线体系将受到动力冲击作用。纵向荷载轻则使杆塔的局部构件产生变形，重则直接导致杆塔破坏，甚至还可能导致倒塔在输电线路的传播, 即为多米诺骨牌效应的连续倒塔。

夏正春等[24]利用ANSYS建立塔-线耦合模型，采用显式动力分析技术，探讨塔线体系对断线响应的仿真方法，同时，在塔头安装铅芯橡胶阻尼器,研究该阻尼器对体系断线相应的振动控制效果；梁政平等[25]基于ANSYS建立等效弹簧代替模型，利用显式积分法对导线和地线的断线进行动力有限元仿真分析，分析导线、地线断线对直线塔的动力作用；SHEN等[26]建立输电塔、输电线以及地面的有限元模型，利用生死单元方法来模拟输电线断裂，采用摩擦和接触来模拟跌落导线与地面作用，获得输电塔线体系的断线响应和断线张力，并将断线张力结果与规范和文献中的方法进行比较。

4 大跨越输电塔施工技术

大跨越输电线路的施工方案需要进行特殊设计，同时，大跨越输电线路的施工气象条件比一般线路严格，对安全的要求也比一般线路高，工程量大且施工周期长。选择合适的设计和施工方案可以显著降低工程投资并缩短工期。大跨越输电线路的施工流程为：基坑建造→材料选取→配制混凝土→混凝土中钢筋选择→安装螺栓→混凝土浇筑→塔身吊装→抱杆组立→抱杆地面提升→抱杆高空提升→顶架吊装→抱杆拆除及架线。

大跨越输电塔由于塔高且根基大，水平断面铁件较少，交叉铁跨度大，而且输电线比较多，在建立过程中会碰到很多技术难题，主要有构件的运输与组装、高空作业风荷载和架线等。

4.1 构件吊装

高位构件及横担的吊装施工是大跨越输电塔组装的关键技术，以螺头水道大跨越输电塔为例[5]，采用250t履带式起重机与座地旋转式双摇臂抱杆结合吊装高塔的施工方案，如图5所示。89m以下部分采用250t履带式起重机吊装，89m以上部分采用双摇臂抱杆吊装。塔身282m以下吊装时，抱杆坐落在中心井架上；塔身282m以上吊装时，212m以下中心井架更换为井筒，212m以上仍采用井架。抱杆采用滑车组倒装提升，按铁塔高度分地面、高空两次分别进行。抱杆身部井架在塔身主管上设置腰环，其四侧配设钢绞线、双钩收紧稳定。变幅绳卷扬机设置在抱杆髙空井架上，起吊卷扬机设置于地面，通过控制电缆配合全方位的视频监控，进行起吊、变幅、回转的集中控制操作。

图5 大跨越输电塔封顶施工

4.2 高空作业风荷载

由于塔身超高，风荷载将直接影响构件的吊装定位及施工安全。高正平等[27]利用螺头水道大跨越所在地已有的风速观测资料，并结合当地的气象条件，开展江中高空风速变化特点的分析计算，开展高位构件及横担吊装施工过程中风荷载对吊装、定位的影响研究。叶何凯[28]在双平臂抱杆风洞试验的基础上，研究了抱杆结构各部分的体型系数，计算了施工过程中不同姿态下抱杆结构的等效静力风荷载。马晋等[29]构建了风时程混合模拟方法，用于分析塔架结构的疲劳损伤效应，进行大跨越输电塔施工过程中塔架的抗风设计。

4.3 导线架设

大跨越输电塔搭建完成后，还有架线施工中的张力大、风偏大、不封航等诸多技术难题，如图6所示。张弓等[5]从关键技术参数的确定、导线牵引方式的选择、初级引绳和过渡引绳展放方式的选择等介绍螺头水道大跨越架线方案的制定过程，优化了架线方案；张景辉等[30]通过三维激光扫描技术实现了导线线长、弧垂等参数的精确测量，利用激光多普勒测速仪并结合专用限位支架实现了导地线长度的精确测量，研制了新型可调式耐张线夹，实现了地面压接快速放线。

图6 大跨越输电塔架线施工

5 大跨越输电塔健康监测

随着现代传感测量技术、网络技术以及结构安全评估理论的高速发展，对于大型工程结构进行实时监测和安全评估已经成为一种必然的发展趋势。大跨越输电塔作为重要的电力能源输送设施，在遭遇冰雪等恶劣天气时，容易发生极端条件下的损坏，更加需要进行实时监测和安全评估。

在输电塔的损伤识别方面，黄东梅[31]将损伤诊断问题的方法进行了归类，提出了高耸塔架结构节点损伤基于残余应力和应变模态的两步诊断法；郭佳凡[32]归纳了模糊模式识别的基本原则，提出了间接模型诊断方法和直接模型诊断方法便于比较应用；瞿伟廉等[33]推导了塔身竖杆节点风致竖向应变响应方差的归一化公式，并通过小波变换分析实现了对螺栓脱落损伤位置的识别；楼文娟等[34]采用空间小波方法对刚度不变或渐变的输电塔实现了损伤定位；叶何凯[28]对钢管塔中典型长细比圆形钢管构件进行了涡激振动风洞试验，进行钢管构件的涡振疲劳损伤计算，结合当地风气象参数评估钢管构件在设计使用期限内的风致疲劳寿命。

在输电塔的健康监测方面，刘遥[35]以某大跨越输电塔体系为背景，对其动态安全状态评估方法进行传感器优化布设、结构模态参数识别及损伤识别等方面研究；汪江等[36]利用无线网络、新能源及信号分析处理技术，开发了大跨越输电塔振动在线监测和模态分析系统，实现了输电塔振动信号、气象环境信息的不间断监测；杨溥等[37]结合输电塔三维动态测点优化布置的有效独立法和改进的一维有效独立法，提出同时考虑双向测点优化布置的有效独立法。

6 结语

对大跨越输电塔发展历程、设计选型、荷载分析、施工和健康监测五个方面的研究进行综述，主要有以下结论。

1)大跨越输电塔从钢筋混凝土塔到组合断面角钢塔、钢管塔和钢混结构组合塔，塔身的承载能力不断提高，材料用量进一步降低，使得大跨越输电塔更加经济合理。

2)针对大跨越输电塔的风荷载、地震作用、覆冰脱冰、断线荷载等进行研究，有效保障了大跨越输电塔设计和运行的安全性和经济性。

3)大跨越输电塔的建造投入巨大、流程复杂，施工难度高，对构件的运输与组装、高空作业风荷载和架线施工技术各方面的研究，确保建造过程安全高效。

4)对重要工程进行监测和分析，为大跨越输电塔建成后的安全运行提供了重要保障。