曾二賢，楊景勝，汪雄，徐彬

（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(kāi)之比（H/B）為4～6，而城市供配電常用到的“窄基塔”其高度與根開(kāi)之比H/B可達(dá)到10或更高[1-2]，但對(duì)于特高壓輸電線路工程，采用“窄基塔”將難于滿足大荷載的要求，筆者提出“特高壓小根開(kāi)鐵塔”的概念，即在普通自立式鐵塔的基礎(chǔ)上縮小根開(kāi)[3-5]，使其高寬比H/B介于普通塔和“窄基塔”之間，既能滿足荷載要求，又能符合山區(qū)局部地形陡峭的立塔需要[6-9]?？梢?jiàn)，采用“特高壓小根開(kāi)鐵塔”可有效解決如下問(wèn)題：

1）拓寬陡峭、狹窄地形的立塔范圍和條件，以避免改線而造成較大的費(fèi)用變更。

2）減小征地、土石開(kāi)挖方量，達(dá)到環(huán)保設(shè)計(jì)。

本文通過(guò)建立小根開(kāi)直線塔ZBC2910Z的數(shù)值模型，對(duì)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及動(dòng)力響應(yīng)特征，通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較論述了小根開(kāi)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(kāi)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[1]：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(duì)外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角不大于-4°，長(zhǎng)短腿設(shè)計(jì)。水平檔距為600 m，垂直檔距為800 m，計(jì)算呼高為72 m。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

輸電鐵塔設(shè)計(jì)軟件中通常應(yīng)用的是滿應(yīng)力準(zhǔn)則法，較少考慮多工況、多約束情況，主要對(duì)截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，更高層次的形狀優(yōu)化尚處于探索階段[10]。優(yōu)化設(shè)計(jì)基于滿應(yīng)力準(zhǔn)則，從合理確定塔腿坡度對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單，具有較好可操作性。圖1為塔身坡度與估算塔中的關(guān)系曲線。

圖1 塔身坡度與估算塔重的關(guān)系曲線Fig.1 The relationship between the tower body slope and the estimated tower weight

從圖1可以看出，ZBC2910常規(guī)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)坡度約為0.12~0.13，小根開(kāi)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)取為1.55。

從表1可知，小根開(kāi)鐵塔根開(kāi)可由常規(guī)設(shè)計(jì)的17.44 m縮減為13.76 m，減小約22%，對(duì)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(guò)3H/1000[11]，表2給出了各種坡度下根開(kāi)鐵塔在最不利荷載工況組合下的塔頂撓度。其中桿塔計(jì)算撓度對(duì)應(yīng)工況為長(zhǎng)期荷載效應(yīng)組合（無(wú)冰、風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫）情況，不包括基礎(chǔ)傾斜[12-13]。

由表2可知，坡度取為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(duì)應(yīng)高度根開(kāi)比為5.78；坡度取為0.07時(shí)，撓度增加幅度約為20.4%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的高度根開(kāi)比為6.20，已突破了普通自立式鐵塔高寬比為4~6的范圍[14-16]。

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

由表3可知，與普通直線塔相比，當(dāng)坡度設(shè)計(jì)為0.08時(shí)，塔頂最大位移增大約9%，坡度為0.07時(shí)，塔頂水平Y(jié)向位移增大約14.3%?？梢?jiàn)，小根開(kāi)鐵塔與普通塔相比，其塔身剛度削弱較厲害，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[1，8]。

表1 塔身坡度與塔重ZBC2910Z—72計(jì)算分析表Tab.1 Calculation table of the body slope and weight for ZBC2910Z—72

表2 ZBC2910Z—72塔頂撓度計(jì)算表Tab.2 Calculation table of the tower top deflection for ZBC2910Z—72

表3 ZBC2910Z—72在設(shè)計(jì)荷載作用下塔頂最大位移值Tab.3 The maximum displacement of body head for ZBC2910Z—72 induced by design load

2 動(dòng)力特性研究

小根開(kāi)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(guó)規(guī)范對(duì)其抗風(fēng)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)尚不完善，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了新要求[15-17]。文獻(xiàn)[11]給出了鐵塔全高不超過(guò)60 m的調(diào)整系數(shù)取值。當(dāng)全高超過(guò)60 m時(shí)，βz可按文獻(xiàn)[16]取值。

該小根開(kāi)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。定義沿橫擔(dān)方向?yàn)閄向（橫風(fēng)向），垂直橫擔(dān)方向?yàn)閅向（順風(fēng)向），高度方向?yàn)閆向。

采用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)小根開(kāi)鐵塔ZBC2910Z進(jìn)行建模，鋼材彈性模量取E=2.06×1011N/m2，密度取ρ=7850 kg/m3，泊松比取0.3，利用分塊Lanczos算法，獲得了小根開(kāi)鐵塔前幾階動(dòng)力特征。鑒于輸電塔結(jié)構(gòu)自振頻率較為稀疏，因此重點(diǎn)考慮其前4階頻率，如表4所示，圖3為結(jié)構(gòu)的模態(tài)示意圖。

從表4和圖3中可以得出，小根開(kāi)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(shuō)明扭轉(zhuǎn)振型對(duì)其影響較大，不可忽略。

圖2 ZBC2910Z單線圖（單位：mm）Fig.2 ZBC2910Z outline（unit：mm）

需要指出的是，對(duì)于低呼高的酒杯型小根開(kāi)鐵塔，其動(dòng)力特征略有不同，如圖4給出了45 m呼高情況下的酒杯塔動(dòng)力特性。具體計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表4 前4階頻率的計(jì)算比較表（72 m呼高）Tab.4 Front 4th frequency analysis results（tower height=72 m）

表5 呼高45 m時(shí)鐵塔的模態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.5 Modal analysis results for tower（tower height=45 m）

圖3 小根開(kāi)直線塔ZBC2910Z—72的模態(tài)示意圖Fig.3 The modal analysis diagrams of Small-Base-Tower ZBC2910Z-45

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(duì)橫擔(dān)約束相對(duì)較弱，結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度較弱。建議下一階段開(kāi)展真型試驗(yàn)研究酒杯型小根開(kāi)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(kāi)直線塔ZBC2910Z—72（呼高72 m）為例進(jìn)行分析。如表6給出了小根開(kāi)鐵塔和常規(guī)鐵塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表。其中選取的典型地質(zhì)條件為：破碎巖石、強(qiáng)風(fēng)化，無(wú)地下水位，土體天然重度為20 kN/m3，上覆松散松散土層厚300 mm；黏聚力為50 kPa，內(nèi)摩擦角為25°。

由表6可知，采用小根開(kāi)直線塔鋼材量單基增加4.8%~5.7%，基礎(chǔ)材料費(fèi)用增加8%~14%，土地征用費(fèi)上可節(jié)省36%~44%。小根開(kāi)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2.6%~4.4%。同樣的方法，對(duì)呼高為45 m的小根開(kāi)鐵塔進(jìn)行分析，鋼材量單基增加3%~4%，基礎(chǔ)材料費(fèi)用增加5%~10%，土地征用費(fèi)上可節(jié)省22%~30%。不考慮降基影響塔高時(shí)，造價(jià)較相同條件下常規(guī)設(shè)計(jì)的費(fèi)用增加1.5%~2.6%。

表6 小根開(kāi)鐵塔ZBC2910Z—72與常規(guī)設(shè)計(jì)的造價(jià)對(duì)比Tab.6 Comparative analysis of cost between the conventional design and Small-Base-Tower ZBC2910Z—72

圖4 小根開(kāi)直線塔ZBC2910Z—45的模態(tài)示意圖Fig.4 The modal analysis diagrams of Small-Base-Tower ZBC2910Z—45

另外，鑒于小根開(kāi)塔對(duì)環(huán)境保護(hù)、水土保持和適應(yīng)地形條件方面具有重大意義，在增加工程造價(jià)可接受的前提下，小根開(kāi)塔在特高壓工程中的運(yùn)用具有可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)典型小根開(kāi)直線塔ZBC2910Z的設(shè)計(jì)研究，綜合考慮塔重、基礎(chǔ)造價(jià)、施工運(yùn)維方案、環(huán)保及特殊地形的適應(yīng)性等因素，確定了小根開(kāi)鐵塔運(yùn)用于特高壓工程的可行性。結(jié)論如下：

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

2）工程設(shè)計(jì)時(shí)小根開(kāi)鐵塔高寬比H/B的取值應(yīng)加以控制，不宜過(guò)大。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，小根開(kāi)直線塔ZBC2910Z長(zhǎng)期荷載效應(yīng)下的撓度值增大約20.4%，設(shè)計(jì)荷載下塔頂變形值增大達(dá)14.3%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視對(duì)鐵塔撓度和設(shè)計(jì)變形加以校驗(yàn)。

3）采用ANSYS軟件研究ZBC2910Z的動(dòng)力響應(yīng)特征如下：①扭轉(zhuǎn)振型對(duì)酒杯型小根開(kāi)鐵塔影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略；②低呼高酒杯型小根開(kāi)鐵塔動(dòng)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）通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較分析，小根開(kāi)鐵塔ZBC2910Z造價(jià)較相同條件下常規(guī)設(shè)計(jì)鐵塔費(fèi)用增加1.5%~4.4%，建議對(duì)局部地形陡峭、場(chǎng)地狹窄、立塔受限的地區(qū)可采用小根開(kāi)鐵塔。

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