输电线路杆塔结构优化设计探析

李鑫

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021）

杆塔结构属于输电线路中的重要组成部分，在输电线路稳定运行中发挥着重要作用，在杆塔结构应用下，能使输电线路与地面保持安全距离，因此须要保证杆塔结构设计的合理性。相关数据显示，输电线路建设环节，杆塔结构存在较高的投资比例，约为35%，可见杆塔结构设计是否合理，是输电线路投资效益的决定性因素。当前，我国逐渐加大了输电线路建设力度，将输电线路杆塔结构优化设计作为关键内容意义重大。

1 杆塔结构优化设计的重要价值及杆塔荷载类型

电力设计过程中，杆塔结构属于较为关键的设计内容，会直接影响电力的运输效益及质量，实际上杆塔结构为超静定结构，若一个杆件发生损坏，可能不会对整体结构产生太大的影响，而当破坏程度超过杆塔最大荷载时[1]，才会使杆塔受到严重破坏。不过在以往设计环节，选择的是满应力设计手段，缺乏先进性，且无法满足杆塔运行实际要求，所以，相关人员应对实际方法进行不断优化，使结构整体性能有效提升，提升结构承载能力，保证结构更加可靠、稳定，更好地发挥出杆塔结构的作用与价值。实际设计环节，应将重点放在最大承载能力确定上，详细分析杆塔荷载力，而杆塔荷载具体可分为以下几种：（1）永久荷载。这种类型的荷载中包含杆塔自重，并且，还包含设备与导线重力以及预应力等。（2）可变荷载。其主要指的是一些可变化的荷载，还包括一些附加荷载，如人工荷载以及风荷载等。（3）特殊荷载，指的是特殊环境下的荷载，如不平衡张力荷载、地震荷载等。杆塔结构设计环节，应综合考量这些荷载，从而优化杆塔结构，提升杆塔结构设计水平的同时，使电网运行效益有所提升。

2 我国输电线路杆塔结构设计情况

杆塔属于重要的支撑工具，是输电线路与地线连接的关键，可以确保输电线路同地面具备一定距离。输电线路杆塔的安全性与可靠性对整个输电线路安全生产影响深远，分析我国输电线路资金投入情况及架线过程得出输电线路整体建设中，杆塔建设成本占有较大比重，属于影响输电线路经济效益的关键因素。现阶段，我国高压网络体系建设不断向前推进，出现了较多新型输电技术，应用也日渐广泛，输电线路杆塔建设数量上也逐渐增多，在结构上也逐渐向大型化及高负荷方向发展。不过就当前我国杆塔设计而言，设计水平仍存在较大的提升空间，无法很好地满足社会发展要求。结合当前实际情况发现，主要由两类企业进行输电线路杆塔的生产制造：第一类为一些设备定点生产企业或国营电力设备企业；第二类为手工生产企业。第一类企业中存在较强的经济实力，专业人员较多，技工能力与技术水平更高；第二类企业中，主要涉及到的企业为民营企业、乡镇企业及个体企业等，不具备较高的生产加工技术水平。总体而言，我国现阶段杆塔设计水平相对较低，应进一步加大技术改进力度，使设备质量得到有效提升。

3 输电线路杆塔结构的优化设计策略

3.1 实施杆塔结构多样化设计

输电线路杆塔结构优化设计环节，须要满足便于加工、运输，形式美及重量轻要求。动态规划设计表示的是，杆塔设计环节选择多样化手段，提升杆塔设计优化水平。杆塔制作前，相关人员应按照杆塔安装现场具体情况，结合相关计算法则与力学原理，减少杆塔迎风面积。根据输电线路设计要求，确保选用的杆塔制造材料具备较强的科学性及合理性，最大程度上缩小杆塔设计尺寸，以免杆塔占用较大的土地，并且还应使杆塔足够稳固、安全。

3.2 科学选择杆塔头及塔身结构

塔头结构优化选择。在塔头形式上主要包括2种：（1）干字形塔头；（2）羊字形塔头。其中干字形塔头，质量会偏重一些，结构强度与承重能力均高于羊字形塔头；羊字形杆塔结构较为合理，在塔头质量上相对较轻，实际使用环节更便于支撑。所以，若施工区域地形地势平缓，工作人员应尽量选择羊字形塔头。现阶段，只有这2种塔头结构，无法很好地满足电网架设实际需求。因此，设计人员应与制造单位密切合作，设计出更加合理的塔头，丰富塔头形式，提升电网架设水平。

塔身结构优化选择。当前，输电线路杆塔塔身主要存在2种：（1）矩形塔；（2）正方形塔。与矩形塔相比，正方形塔存在更大的占地面积与重量，在运输与施工上难度更大，不过在抗横、纵向承载力等方面，正方形塔优于矩形塔。通常情况下，杆塔塔身水平档距约为400 m，垂直档距约为560 m。相关设计人员应结合直线杆塔塔底与横担长度，获得最佳输电线路塔形，在科学、规范输电杆塔设计下，使其具备更强的实用性及创新性。

3.3 优化杆塔传力线路，合理布置斜材

若想达到杆塔直线塔传力路线优化效果，应将K型斜材布置在塔身上面位置，通过这样的方式可以实现：（1）避免输电线路杆塔下部塔身斜材同时受压，（2）能够有效降低输电线路杆塔重量。

在转角塔传力路径优化上，同直线塔方式相同，不过须要注意的是，应在横担处布置K型斜材[2]，主要是在该位置处，输电线路杆塔重量最轻，能够获得更好的传力效果。斜材布置时应遵循以下原则：首先，为保证腹杆受力合理性，应严格控制腹杆水平角，使其处于35°～45°范围内；其次，为避免腹杆存在同时受压现象，可将K形腹杆设置于隔面处，也可优化塔身隔面间交叉腹杆数量；再次，斜材布置过程中，应保证塔身布材均匀、拥有清晰的传力路径且布置简洁，从而保证主材与斜材受力合理；最后，优化斜材的长度与坡度，对比分析多种布置方案，如平行轴与最小轴等，进行大小交叉的合理筛选，尽可能降低塔重。

3.4 科学布置杆塔主材，优化塔头坡度

对杆塔主材计算长度进行科学调整，主材会影响到杆塔构件长度、承载力以及输电线路截面积，若想保证杆塔强度，应科学选择构建规格，将内力情况及构件计算长度，作为构建选取规格的主要判断依据。当输电线路杆塔构件内力不变时，杆塔构件越长，在规格上也会越大。

塔头坡度优化。杆塔塔头设计环节，为使刚度要求与上下主材相符合，规划设计环节应保证坡度合理性，对头部塔身进行规划的同时，还应对头部连接与各主材间的协调性等情况进行重点考虑。现阶段，较为常见的塔身模式主要有2种：（1）直塔身；（2）梯形塔身。前者优势主要包括：加工方便、电气间隙布置良好，并且塔身可与下横担连接，从而形成角钢或垂直型式钢。后者优势主要包括：具备较强的抗扭能力，可以获得较好的协调性，并且变坡处上下段塔身材料具备相似的规格。

3.5 合理选取塔身坡度

输电线路杆塔塔身上口宽固定时，塔身坡度与斜材呈正比，坡度越大，斜材长度则会越短，并且，斜材重量及受力也会逐渐增加，主材规格及内力会进一步加大。基础作用力及征地范围大小也会受到塔身坡度的影响[3]，塔身坡度逐渐增大下，基础作用力会逐渐减小，塔身坡度逐渐减小下，基础作用力会逐渐增大。塔身坡度属于输电线路杆塔结构优化设计中的一项重点内容。所有具体的铁塔均会存在一个最优重量，从以往工程设计中可以发现，塔身坡度会对塔重产生直接的影响，不过塔身上口宽基本不会受到塔重的影响。因此，输电线路杆塔设计环节，须要满足横担构造及变形要求，塔身上口宽度不宜过大，如果塔身上口过宽，会使杆塔重量增加，进而耗费过多的辅助材料，增加成本支出。坡度选择环节，应尽量选取小坡度，有助于环境保护的同时，可以有效减小征地范围。

4 输电线路杆塔结构设计的未来发展方向

4.1 科学创设设计理论体系

输电线路杆塔机构设计未来发展中，设计理论体系会持续完善、优化。就当前我国输电线路杆塔结构设计领域，在理论体系上仍存在提升空间，须要进一步创新设计方法，研究出更加先进的设计理论体系。

4.2 强化荷载取值研究

杆塔结构优化设计中，荷载取值也是主要的研究内容，能够直接影响杆塔结构的安全性及稳定性。现阶段，在荷载取值研究方面，更加关注同静力风荷载相关参数的研究，并没有对动力风荷载取值进行深入分析，因此，未来研究中，须要将重点放在断线工况组合与风、冰荷载组合取值上，使荷载取值研究更加全面、合理，提升杆塔结构优化设计水平。

4.3 全面研究节点构造计算方法

若想实现杆塔结构优化设计，还应改进节点构造计算方法。就实际情况而言，受到设计材料、设计理念等方面的影响，我国与国外输电线路杆塔结构相比，杆塔结构尺寸及重量过大，从而在节点构造上也存在较大差异[5]。所以，未来杆塔结构优化设计中，须要更加全面地进行节点构造计算方法的研究，科学处理节点构造与杆件承载力间存在的关系。

4.4 加大新材料应用研究力度

在未来发展中，杆塔结构设计环节，应强化对新材料的应用研究，丰富构建形式，使杆塔材料具备更高的强度等，提升设计水平。

5 结束语

综上所述，输电线路建设环节，杆塔结构设计尤为重要，相关设计人员应结合现阶段输电线路杆塔建设情况，制定出多样化的优化设计方案，强化杆塔结构优化设计创新能力。具体设计优化环节，须要从建设现场情况入手，根据动态设计原则，从塔头、塔身等方面重点进行杆塔结构优化设计，提升电力网络线路建设的高效性及安全性。