肖 勤， 曾二賢

(中南電力設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430071)

普通自立式鐵塔的高度與根開之比(簡稱“高寬比”H/B)為4～6，城市供電常見窄基塔的H/B可達(dá)到10或更高[1～3]。對于特高壓輸電線路工程，采用窄基塔難于滿足大荷載的要求，因此，筆者提出“特高壓小根開鐵塔”的概念，即在普通自立式鐵塔的基礎(chǔ)上縮小根開，使其高寬比H/B介于普通塔和窄基塔之間，以滿足山區(qū)局部地形陡峭的立塔需要[4～7]。特高壓小根開鐵塔具有如下優(yōu)勢：(1)解決陡峭、狹窄山脊立塔困難的問題，避免改線而造成較大的費(fèi)用變更；(2)減小征地、土石開挖方量，實(shí)現(xiàn)環(huán)保設(shè)計(jì)。

本文通過建立小根開直線塔ZBC2910Z的數(shù)值模型，對高寬比H/B進(jìn)行優(yōu)化分析，以尋找其合理的塔身坡度，并分析了鐵塔優(yōu)化布置后的受力特征，其中重點(diǎn)關(guān)注小根開鐵塔變形和撓度的變化情況。其次，采用ANSYS軟件建立三維數(shù)值模型，研究了其典型呼高的動力響應(yīng)特征。最后，通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較論述了小根開鐵塔運(yùn)用于特高壓工程的可行性。

1 桿塔優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)輸入條件

選取某特高壓交流工程的典型直線塔作為小根開鐵塔ZBC2910Z的輸入條件，設(shè)計(jì)原則借鑒淮南-上海、浙北-福州特高壓交流線路工程。設(shè)計(jì)條件為：風(fēng)速29 m/s，覆冰10 mm，海拔H<1000 m，導(dǎo)線8xLGJ-630/45，地線JLB20A-185，地線對外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角不大于-4°，長短腿設(shè)計(jì)。水平檔距600 m，垂直檔距800 m，計(jì)算呼高72 m[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)優(yōu)化研究也是基于滿應(yīng)力準(zhǔn)則[8]，從合理確定塔腿坡度對鐵塔進(jìn)行整體優(yōu)化，塔體在強(qiáng)度和穩(wěn)定上作為主要控制條件，輔助以撓度、變形驗(yàn)算。其方法相對簡單，具有較好的可操作性。

圖1 塔身坡度與估算塔重的關(guān)系曲線

從圖1可以看出，ZBC2910Z常規(guī)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)坡度約為0.12～0.13，小根開鐵塔ZBC2910Z的推薦坡度可取為0.07～0.08，其中角鋼塔估重系數(shù)為1.55。如表1為不同坡度對應(yīng)情況下呼高為72 m的小根開鐵塔的計(jì)算結(jié)果分析表。

表1 ZBC2910Z-72計(jì)算分析

從表1可知，小根開鐵塔根開可由常規(guī)設(shè)計(jì)的17.44 m縮減為13.76 m，減小約22%，對地形的適應(yīng)性有較大提升。

1.3 擾度和變形驗(yàn)算

懸垂直線自立式桿塔的撓度限值不應(yīng)超過3H/1000[9]，如表2給出了各根開鐵塔在最不利荷載工況組合下的塔頂撓度。其中撓度計(jì)算對應(yīng)工況為長期荷載效應(yīng)組合(無冰、風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫)情況，不包括基礎(chǔ)傾斜。

由表2可知，坡度為0.08時(shí)，塔頂撓度為72.28 mm，撓度較常規(guī)設(shè)計(jì)增大約5.5%，能滿足要求，對應(yīng)高寬比為5.78；坡度為0.07時(shí)，撓度增大約 20.4%，此時(shí)高寬比為6.20，已突破了普通自立式鐵塔高寬比為4～6的范圍[9,10]。

表2 ZBC2910Z-72塔頂撓度計(jì)算

注：鐵塔全高H為79.55 m，撓度限值為239 mm。

表3給出了在基本風(fēng)速為29m/s時(shí)的設(shè)計(jì)荷載作用下關(guān)鍵位置的位移情況。

表3 ZBC2910Z-72在設(shè)計(jì)荷載作用下最大位移值

由表3可知，與普通直線塔相比，當(dāng)坡度設(shè)計(jì)為0.07時(shí)，塔頂水平Y(jié)向位移增大約14.3%。可見，小根開鐵塔與普通塔相比，其抗彎和抗扭剛度削弱較厲害，導(dǎo)致的變形增大是需重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)校驗(yàn)其在各種設(shè)計(jì)工況作用下的變形特征[1,11]。

2 動力特性研究

小根開鐵塔具有柔度大、阻尼小等特點(diǎn)，是一種風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用十分復(fù)雜。而我國規(guī)范對其抗風(fēng)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)尚不完善，這對設(shè)計(jì)提出了新的要求[10～16]。文獻(xiàn)[11]給出了鐵塔全高不超過60 m的調(diào)整系數(shù)取值。當(dāng)全高超過60 m時(shí)，βz(風(fēng)壓調(diào)整系數(shù))可按文獻(xiàn)[15]取值。

該小根開直線塔全高79.55 m，塔身斷面形狀為正方形，角鋼塔，單線圖如圖2所示。

圖2 小根開直線塔ZBC2910Z單線圖

定義沿橫擔(dān)方向?yàn)閤向(橫風(fēng)向)，垂直橫擔(dān)方向?yàn)閥向(順風(fēng)向)，高度方向?yàn)閦向。

采用ANSYS軟件對小根開鐵塔ZBC2910Z進(jìn)行建模，鋼材彈性模量取2.06×1011N/m2，密度取7850 kg/m3，泊松比取0.3，利用分塊Lanczos算法，獲得了ZBC2910Z的前幾階動力特征。因?yàn)檩旊娝Y(jié)構(gòu)自振頻率較為稀疏，因此重點(diǎn)考慮其前4階頻率，圖3為結(jié)構(gòu)的模態(tài)示意圖，對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4和圖3中可以得出，小根開鐵塔ZBC2910Z-72的前3階模態(tài)分別是x向一階彎曲、y向一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)振型，且x向與y向彎曲振型的頻率非常接近，這與常規(guī)設(shè)計(jì)的基本規(guī)律一致。但是第3階振型周期與前2階較為接近，說明扭轉(zhuǎn)振型對其影響較大，不可忽略。

圖3 小根開直線塔ZBC2910Z-72的模態(tài)示意

模態(tài)小根開鐵塔設(shè)計(jì)頻率/Hz周期/s備注常規(guī)設(shè)計(jì)頻率/Hz周期/s備注11.115 0.897 x向1階彎曲1.1810.847y向1階彎曲21.117 0.895 y向1階彎曲1.1830.846x向1階彎曲31.377 0.726 一階扭轉(zhuǎn)1.4070.711一階扭轉(zhuǎn)43.147 0.318 二階彎曲2.5340.395二階彎曲

對于低呼高的酒杯型小根開鐵塔，其動力特征略有不同，具體計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 呼高為45m時(shí)前4階模態(tài)對比

從表5中可以看出，低呼高的酒杯型鐵塔ZBC2910Z-45第1階模態(tài)為一階扭轉(zhuǎn)，主要是由于塔頭尺寸較大(本算例中塔頭高33.55 m，塔窗26 m)，質(zhì)量分布不均勻，造成塔身段對橫擔(dān)約束相對較弱，結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度較弱。建議下一階段開展真型試驗(yàn)研究酒杯型小根開鐵塔的受力性能及可靠性。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

以小根開直線塔ZBC2910Z-72(呼高72 m)為例進(jìn)行分析。小根開鐵塔根開較常規(guī)鐵塔根開縮減約22%，對特殊陡峭地形適應(yīng)性更好。如表6為小根開鐵塔和常規(guī)鐵塔的經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果。

表6 小根開鐵塔ZBC2910Z-72與常規(guī)設(shè)計(jì)的造價(jià)對比

上表計(jì)算選取的典型地質(zhì)條件為：破碎巖石，強(qiáng)風(fēng)化，較破碎，無地下水位，天然重度為20 kN/m3，上覆松散土層厚300 mm，粘聚力50 kPa，內(nèi)摩擦角為25°。組塔及運(yùn)輸單價(jià)按2000元/t。

從表6可知，采用小根開直線塔鋼材量單基增加約4.8%～5.7%，基礎(chǔ)材料費(fèi)用增加約8%～14%，土地征用費(fèi)上可節(jié)省約36%～44%。小根開直線塔造價(jià)較相同條件下常規(guī)設(shè)計(jì)的費(fèi)用增加約2.6%～4.4%。

值得一提的是，上述對比結(jié)果未考慮土石方和鐵塔降基值的影響。實(shí)際上，小根開鐵塔對環(huán)境保護(hù)、水土保持和適應(yīng)地形等方面具有明顯優(yōu)勢，在增加可接受工程造價(jià)的前提下，建議小根開鐵塔可在特高壓工程中選擇性應(yīng)用。

4 結(jié) 論

(1)小根開直線塔ZBC2910Z的推薦坡度取值約為0.07，對應(yīng)高寬比為6.2，與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，其根開縮減約22%，對山區(qū)陡峭地形適應(yīng)性更好。

(2)與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，ZBC2910Z長期荷載效應(yīng)的撓度值增大20.4%，設(shè)計(jì)荷載下塔頂位移增大約14.3%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視鐵塔撓度和設(shè)計(jì)變形的校驗(yàn)工作。

(3)扭轉(zhuǎn)振型對酒杯型小根開鐵塔影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略；低呼高酒杯型小根開鐵塔動力特征與高呼高略有不同，前者以第1階模態(tài)為一階扭轉(zhuǎn)，后者為一階彎曲。

(4)小根開鐵塔抗彎與抗扭剛度均有較大削弱，建議下一階段開展真型試驗(yàn)加以深入研究。

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