输电线路大跨越钢管塔的结构设计

贾素红

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610041）

0 引言

大跨越钢管塔的结构设计具有多个关键因素。首先，它们需要能够承受高压电力线路的巨大张力和重力荷载。这就要求钢管塔的结构设计必须具备足够的强度和刚度，能够稳定地支撑输电线路的重量。其次，大跨越钢管塔必须能够抵御自然灾害的袭击，如强风、地震等。因此，结构设计需要充分考虑到这些外力因素，采取相应的抗灾措施，确保输电线路的安全性和可靠性。此外，大跨越钢管塔还需要考虑施工和维护的便利性，以及对环境的影响。随着技术的不断发展，大跨越钢管塔的结构设计也在不断创新与改进。例如，引入新材料和新工艺，以提高塔体的强度和耐久性；采用智能化监测系统，实时监测塔体变形和应力情况，及时发现并处理异常情况；利用计算机模拟和优化设计方法，提高结构设计的精确度和效率等。这些创新与改进的努力，不仅为大跨越钢管塔的结构设计带来了更高的安全性和可靠性，同时也为输电线路的发展提供了更好的支持。

1 输电线路大跨越钢管塔结构

图1 为输电线路双回路跨越钢管塔结构。大跨越钢管塔结构主要由三大部分组成：塔腿、塔身和塔头。大跨越钢管塔是整个跨越段的主体结构，由多个钢管按一定的排列方式组成，可以承受输电线路的重量和风压力。横担连接在塔头两侧，用于支撑跨越段导线。通过调节跨越塔间导地线的长度可以改变输电线路的张力。基础则是整个结构的支撑点，通常采用混凝土浇筑而成。

图1 输电线路双回路跨越钢管塔结构

大跨越钢管塔结构具有几个明显的结构特点。首先，由于塔身采用钢管构成，具有较高的强度和刚度，能够承受较大的重量和外部风压力。其次，与角钢塔相比塔腿根开较小，有效地减少了输电线路对地面的占用面积，提高了土地利用率。此外，大跨越钢管塔结构较角钢塔构件大幅减少，组装和安装较为简便，可以快速完成，降低了工程周期和成本[1]。

大跨越钢管塔结构还具有一些其他的优势。首先，由于采用钢管构成，具有较长的使用寿命和较强的抗腐蚀能力，能够适应不同的气候和环境条件。其次，结构的设计和优化可以根据输电线路的需求进行，能够满足不同的跨越距离和荷载要求。另外，大跨越钢管塔结构还具有较好的稳定性和可靠性，能够保证输电线路的正常运行和安全性。

2 大跨越钢管塔结构设计要点

高稳定性是大跨越钢管塔设计的重要目标之一。由于塔身高度较大，承受的风力和地震力也会相应增加。因此，在设计过程中，需要采用合适的结构形式和材料，以确保塔的稳定性和抗风抗震能力。通常，大跨越钢管塔采用三角形结构，通过合理设置斜杆和水平横担，可以有效地提高整体的稳定性。

合理的荷载分配是大跨越钢管塔设计的关键。高压输电线路需要承受大量的重量，包括导线本身的重量、冰雪负荷、风荷载等。在设计过程中，需要根据实际情况进行荷载计算，并合理分配到各个塔的不同部位。同时，还需要确保每个部位的受力均匀，避免出现局部过载或不平衡的情况。

材料选择和施工工艺。在选择材料时，需要考虑到强度、耐腐蚀性和可焊性等因素。常用的材料包括碳素结构钢和低合金高强度钢，它们具有较好的力学性能和耐候性能。在施工过程中，需要严格控制焊接质量，确保焊缝的牢固性和可靠性。

大跨越钢管塔的防腐保护也非常重要。由于长期暴露在室外环境中，钢管塔容易受到氧化、腐蚀和风化等影响。因此，在设计过程中，需要采取有效的防腐措施，如喷涂防腐漆、热浸镀锌等，以延长钢管塔的使用寿命[2]。

3 大跨越钢管塔在应用中的问题

大跨越钢管塔的建设成本较高。由于其设计和制造需要考虑到跨越较长的距离，因此使用的材料和施工方法都需要更加精细和复杂。这就导致了建设成本的增加，给项目的可行性带来了一定的挑战。由于其高度和跨度较大，一旦出现故障或需要维修，需要投入大量的人力和物力资源。而且，由于大跨越钢管塔的结构复杂，需要特殊的设备和技术来进行维护和检修，这给运营方带来了一定的困扰[3]。

大跨越钢管塔的运行环境复杂多变，对其抗风、抗震、抗腐蚀等性能提出了更高的要求。例如，钢管塔的高度会对钢材所受风向荷载产生影响，构件的材料以及高度等因素都会影响到实际荷载情况。在风荷效应的计算过程中，不能与普通输电一样将风荷系数选为定值，而是要依据风洞测试情况以及高塔风振研究来合理设置风荷系数，通常采用下式来进行计算：

式中：ξ——脉动增大系数；v——脉动影响系数；ϕ——振型系数；μz——风压高度变化系数。

大跨越钢管塔的施工周期较长。由于其建设需要考虑到跨越较长的距离，因此在施工过程中需要进行大量的测量和调整工作，这就导致了施工周期的延长。而长时间的施工周期不仅会增加项目的成本，还会延迟电力输送线路的建设进度，给电力供应带来一定的影响。大跨越钢管塔在一些特殊地理环境下的应用存在一定的困难。例如，在山区或者沼泽地等复杂地形环境中，大跨越钢管塔的施工和维护都会面临较大的挑战。这就需要针对不同的地理环境进行专门的设计和施工方案，增加了项目的难度和成本。大跨越钢管塔的外观对于景观的影响也是一个问题。由于其高度较大且数量众多，大跨越钢管塔在一些风景名胜区或者城市中会对景观产生一定的影响。这就需要在设计和建设过程中充分考虑到环境保护和景观美化的因素，以减轻对景观的影响。

4 大跨越钢管塔的结构设计要点分析

4.1 大跨越钢管塔的设计要求

大跨越钢管塔的设计应考虑到环境因素，包括风速、地质条件和气候等。塔身的高度和直径需要根据所在地区的风速标准进行合理选择，以确保塔身能够承受强风的冲击，并保持稳定。大跨越钢管塔的结构应具备足够的强度和刚度，以承受输电线路的重量和外界荷载。塔身应采用高强度钢材制作，并经过合理的加固设计，以确保在各种工作条件下的安全运行。大跨越钢管塔的基础设计也非常重要。塔基的选址和设计应根据地质勘察结果确定，以确保基础的稳定性和承载能力。基础深度和尺寸应根据土壤条件和塔身结构来确定，并采取适当的防腐措施，以延长基础的使用寿命。此外，大跨越钢管塔的设计还应考虑施工和维护的便利性。塔身结构应合理布置，以便于施工人员进行安全操作和维护工作。同时，还应提供适当的防雷设施和安全装置，以确保人员和设备的安全[4]。

4.2 内力计算

首先需要确定钢管塔的几何参数，包括塔高、横跨距离、塔身截面形状等。这些参数将直接影响内力的分布和大小。在计算内力之前，要明确塔身所受到的外部荷载。输电线路大跨越钢管塔通常要承受电缆的自重、风荷载、温度变化等多种荷载。这些荷载将负载在塔的不同位置，产生不同的内力。钢管塔的内力计算主要包括弯矩、剪力和轴力。弯矩是指塔身在荷载作用下产生的弯曲力矩，剪力是指塔身在荷载作用下产生的剪切力，轴力是指塔身在荷载作用下产生的拉压力。对于大跨越钢管塔，通常采用杆件法进行内力计算。首先，将塔身划分为若干个杆件，每个杆件可以看作是一段直线杆件，然后通过力平衡和力矩平衡方程进行计算。以弯矩为例，可以根据力矩平衡方程计算出每个杆件上的弯矩大小。

式中：M——弯矩；F——作用力；h——力臂。

剪力和轴力的计算也类似，可以通过力平衡方程计算出每个杆件上的剪力和轴力大小。剪力的计算公式：

式中：V——剪力；F——作用力；θ——力的夹角。

轴力的计算公式：

式中：N——轴力；F——作用力；θ——力的夹角。

在实际计算中，还需要考虑杆件的材料性能，如弹性模量、截面面积等。这些参数将影响内力的计算结果。

4.3 构件断面选择

在选择构件断面时需要考虑钢管塔的受力情况。钢管塔主要承受重力、风荷载和线路拉力等作用力。根据不同的受力情况，可以选择适当的构件断面形式，如圆形、方形、矩形等。一般来说，圆形断面具有更好的抗弯能力和抗压能力，适用于承受垂直和水平作用力较大的部位。其次，钢管塔的构件断面还需要考虑材料的经济性和工程的可行性。材料的经济性包括材料的成本和使用寿命等因素。在满足强度和稳定性要求的前提下，应选择材料成本较低且使用寿命较长的材料。同时，还需考虑制造和安装的可行性，避免过于复杂的构件断面造成制造和安装困难。构件断面还需要考虑钢管塔的防腐措施[5]。由于钢管塔常常处于室外，容易受到大气腐蚀的影响。因此，在选择构件断面时，需要考虑采用防腐材料或防腐涂层，以延长钢管塔的使用寿命，并减少维护成本。钢管塔的施工和维护也是选择构件断面的重要因素。在设计时，应考虑到施工和维护的便利性，避免过于复杂的构件断面增加施工和维护的难度。同时，还需考虑构件断面的可拆卸性，以方便维修和更换。

4.4 钢管塔连接方式

钢管塔连接方式的选择需要考虑塔身的结构特点和实际应用要求。常见的连接方式包括法兰连接、焊接连接和螺栓连接等。在选择连接方式时，需要综合考虑塔身的受力情况、施工工艺和维护方便程度等因素，以确保连接的牢固性和可靠性。在钢管塔连接方式的具体措施中，需要考虑连接部位的加强措施。连接部位是塔身结构的薄弱环节，容易产生应力集中和疲劳断裂等问题。为了增强连接部位的承载能力，可以采取增加连接板厚度、设置连接板加劲肋、采用加固筋和加强筋等方式，提高连接部位的抗弯和抗剪能力。在钢管塔连接方式的设计中，还需要考虑连接部位的防腐措施。由于输电线路通常处于恶劣的自然环境中，连接部位容易受到大气腐蚀和电腐蚀的影响，从而导致连接的松动和腐蚀损坏。为了延长连接部位的使用寿命，可以采用防腐涂层、防腐衬里和防腐涂层修复等方式，提高连接部位的耐腐蚀性能。

5 结语

随着经济和科技的发展，电力行业的发展也日益迅速。而输电线路作为能源传输的重要途径，对于社会的稳定和发展有着至关重要的作用。在输电线路建设中，大跨越钢管塔不仅成为主要的输电线路塔类型，而且结构的合理性更是影响线路稳定性的主要因素。在实际应用中，大跨越钢管塔不仅具有高强度、抗风性能好等优点，而且具备构造简单，施工方便等特点，使得其成为输电线路的首选塔型之一。合理的结构设计能够提高输电线路的稳定性，并减轻电网运行过程中的安全隐患。因此在其结构设计方面，还需要继续探索和研究，开展优化设计和配套方案的研究，以适应不断发展变化的电力行业需求。