摘要：高壓輸電線路的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)乎到電網(wǎng)的質(zhì)量，并進(jìn)一步對(duì)其電能的供應(yīng)質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)按國(guó)家的基本建設(shè)方針與經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策優(yōu)化高壓輸電線路設(shè)計(jì)。為了提高高壓輸電線路的運(yùn)行質(zhì)量，鋼管桿在郊、城區(qū)輸電線路工程中得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)此，本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，淺析高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼管桿；高壓輸電線路；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）5（c）-0000-00

0引言

與普通水泥桿和角鋼塔相比，鋼管桿具有造型美觀、安裝方便、使用壽命長(zhǎng)和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)非常高。因此，為了降低鋼管桿的造價(jià)及充分發(fā)揮其在高壓輸電線路工程中的作用，應(yīng)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，鋼管桿結(jié)構(gòu)采用的是基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，而鋼管桿的可靠度則用可靠度指標(biāo)量來(lái)加以度量，注意在這一設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)將鋼管桿的制造、施工、運(yùn)維方法及環(huán)境等因素考慮其中，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)控鋼管桿的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等要素。據(jù)此，分別討論高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)參數(shù)及其影響要素的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1鋼管桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

在高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意優(yōu)化如下參數(shù)：

1.1鋼管桿撓度

在高壓輸電線路中，鋼管桿選材的控制要素一般以撓度控制為主。據(jù)研究結(jié)果顯示，在計(jì)算強(qiáng)度達(dá)到要求的情況下，鋼管桿的運(yùn)行撓度超過(guò)30‰，這將嚴(yán)重影響鋼管桿的強(qiáng)度，而當(dāng)計(jì)算撓度達(dá)到要求時(shí)，材料強(qiáng)度將有較大富余。依據(jù)DL/T5130-2001可知，直線桿與轉(zhuǎn)角、終端桿的桿頂允許撓度分別為5‰、20‰，但需滿足一定的計(jì)算工況條件：風(fēng)速5m/s、無(wú)冰及取正常使用極限狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的荷載等。顯然，上述規(guī)范對(duì)鋼管桿撓度的規(guī)定較寬松，因此在鋼管桿制造和安裝中，應(yīng)采取如下措施來(lái)控制鋼管桿的運(yùn)行撓度：一是在制造鋼管桿時(shí)預(yù)彎桿身；二是在安裝鋼管桿時(shí)進(jìn)行預(yù)偏，其中方法一的效果很好，但工藝要求高，而方法二的施工難度低，但其易在加載后出現(xiàn)拱形變形。一般來(lái)講，預(yù)彎或預(yù)偏的極大值應(yīng)比設(shè)計(jì)撓度值小或兩者相等，同時(shí)應(yīng)在無(wú)日照環(huán)境中測(cè)量撓度，以免溫度變化影響桿身的變形。

1.2鋼管桿梢徑

在鋼管桿的桿頂撓度控制中，梢徑一般其決定性的作用。據(jù)研究結(jié)果顯示，在鋼管桿的力學(xué)模型中，截面慣性矩與撓度呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)依據(jù)DL/T5130-2001可知，鋼管桿的截面慣性矩 ，式中，c表示與截面形狀有關(guān)的常數(shù)，一般在十二邊形截面中，c取0.411；D表示截面直徑的平均值；t表示鋼板的厚度。據(jù)此，從對(duì)撓度的作用來(lái)看，鋼管桿直徑遠(yuǎn)比鋼板厚度大，且當(dāng)其他外形參數(shù)既定的條件下，通過(guò)增加梢徑的尺寸，可提高鋼管桿的剛度及降低桿頂?shù)奈灰屏俊?/p>

1.3主桿坡度

桿身坡度一般取決于桿塔的荷載，且鋼管桿的荷載與彎矩包絡(luò)圖的斜率呈正相關(guān)，因此需將主桿的坡度控制在較高水平。但從撓度控制的角度來(lái)看，梢徑不宜太小，因?yàn)檫^(guò)大的坡度必定會(huì)增大根徑，從而造成材料浪費(fèi)和影響美觀。因此，在鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過(guò)控制桿身坡度和梢徑來(lái)控制鋼材的用量，即在荷載條件一定的情況下，采用多方案組合的方式優(yōu)化桿塔坡度和梢徑的設(shè)計(jì)，然后再通過(guò)比較計(jì)算重量來(lái)確定桿身坡度的最佳值。

1.4桿身分段長(zhǎng)度

為了實(shí)現(xiàn)鋼管桿壁厚的均勻變化，需將鋼管桿分成長(zhǎng)度約為10cm的桿段，其中桿段長(zhǎng)度的控制應(yīng)滿足運(yùn)輸、模壓和熱鍍鋅的要求。當(dāng)鋼管桿的壁厚偏大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)縮減桿段的長(zhǎng)度。另外，鋼管桿的合理分段可優(yōu)化每一桿段的應(yīng)力比，詳見(jiàn)表1。當(dāng)鋼管桿的計(jì)算長(zhǎng)度為1.0m時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)每一桿段的分段長(zhǎng)度，可提高其利用率。

2鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響條件的優(yōu)化控制

高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)除了要對(duì)其主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行控制以外，還應(yīng)對(duì)其他要素進(jìn)行優(yōu)化控制，具體控制要素如下：

2.1優(yōu)選氣象條件

通過(guò)對(duì)線路沿線的氣象資料進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)及結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)積累，確定鋼管桿運(yùn)行環(huán)境的氣象條件，即：110-330kV、500-750kV輸電線路的大跨越重現(xiàn)期分別取30年和50年，注意在實(shí)際使用中，不得過(guò)大取用大跨越重現(xiàn)期。

2.2桿塔結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)

一般來(lái)講，在臨時(shí)、一般重要和特別重要高壓輸電線路中，桿塔結(jié)構(gòu)的重要系數(shù)應(yīng)分別取0.9、1.0、1.1，從而降低鋼管桿的建設(shè)成本。

2.3區(qū)分桿塔的類型

正確區(qū)分鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中桿塔的類型，即將耐張桿和直線桿區(qū)分開來(lái)，以免導(dǎo)地線對(duì)直線桿產(chǎn)生拉力作用。還應(yīng)對(duì)桿塔使用轉(zhuǎn)角度數(shù)進(jìn)行合理規(guī)劃，以免實(shí)際使用角度比設(shè)計(jì)角度小，從而減小桿塔的荷載。針對(duì)終端桿而言，還應(yīng)區(qū)分進(jìn)線檔的設(shè)計(jì)，比如π線路、T接線和分支線路所用的桿塔，需將荷載組合考慮其中。

2.4優(yōu)化使用檔距

通常而言，應(yīng)通過(guò)計(jì)算比較地線和導(dǎo)線的最大使用張力來(lái)選取地線與導(dǎo)線的安全系數(shù)，其中導(dǎo)線安全系數(shù)一般取6-8，而地線安全系數(shù)取10-11。另外，為了保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，鋼管桿的水平檔距與垂直檔距應(yīng)分別取Lp-120-150m、Lv200-250m。

2.5桿頭與呼稱高

在鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)將電氣的間隙要求考慮其中，然后再在這一條件下控制線路走廊的寬度及優(yōu)化桿頭與橫擔(dān)的長(zhǎng)度，同時(shí)還應(yīng)將城區(qū)10kV線路與樹木、路燈的交叉跨越高度考慮其中。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，桿頭與呼稱高度的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)選為桿塔重量最輕，同時(shí)適當(dāng)考慮到根徑的尺寸。一般來(lái)講，對(duì)單或雙回路桿塔而言，應(yīng)將其呼稱高極差控制在3m，而多回路桿塔則應(yīng)控制在2m。

2.6選桿塔材料

針對(duì)大截面、多回路的導(dǎo)地線及數(shù)分裂的導(dǎo)地線而言，其桿塔材料應(yīng)選為Q420或Q460高強(qiáng)鋼，如此既可保證桿塔的使用質(zhì)量，又可減少材料的用量。

2.7優(yōu)化桿塔的結(jié)構(gòu)型式

通常一般桿塔可按正多邊形進(jìn)行單桿設(shè)計(jì)，而針對(duì)導(dǎo)地線張力大、轉(zhuǎn)角大、線路回路數(shù)多的桿塔，則應(yīng)進(jìn)行雙桿設(shè)計(jì)，其中在這一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)注意如下要點(diǎn)：嚴(yán)控水平面上導(dǎo)地線與雙桿的投影交叉角度，并增大在大張力方向上的計(jì)算寬度；在桿身與橫擔(dān)的連接處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)減輕桿塔重量的目的。

2.8優(yōu)化主桿截面形式

依據(jù)DL/T5130-2001可知，在高壓輸電線路中，鋼管桿截面的常用形式包括環(huán)形、十六邊形、十二邊形、八邊形、六邊形和四邊形等，其中環(huán)形截面的慣性矩最大，但其受力條件最優(yōu)，然而在實(shí)際使用中，高壓輸電線路鋼管桿主桿的截面一般采用的是多邊形，其中十二邊形在110kV鋼管桿中最為常用，而十六邊形常用在大荷載鋼管桿中，注意這一應(yīng)用現(xiàn)狀主要由加工條件所決定。另外，在寬厚比的影響下，當(dāng)主桿截面的變數(shù)較多時(shí)，其受力條件更多，且材料的耗費(fèi)最少，但此時(shí)的加工難度也會(huì)更高。相對(duì)于棱錐形鋼管桿，圓錐形的剛度更高及力學(xué)條件更有，但對(duì)于棱錐形而言，當(dāng)期棱邊數(shù)增加至足夠大時(shí)，其剛度將與圓錐形鋼管桿無(wú)限接近。

3討論

據(jù)所述內(nèi)容，優(yōu)化直線桿GCZ1-27、轉(zhuǎn)角桿GSJ2-25的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)梢徑為300mm及桿身坡度為0.01時(shí)，直線桿GSZ1-27的計(jì)算重量出現(xiàn)最優(yōu)值，而當(dāng)坡度<0.008時(shí)，直徑D的增速明顯減緩，則為了增加截面的慣性矩，需增加壁厚；當(dāng)坡度>0.12時(shí)，也應(yīng)通過(guò)增加壁厚來(lái)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性，但會(huì)降低桿段的利用率。與此相比，當(dāng)梢徑為450mm及桿身坡度為0.015時(shí)，轉(zhuǎn)角桿GSJ2-25的計(jì)算重量出現(xiàn)最優(yōu)值，注意在計(jì)算中，梢徑的增加會(huì)減少鋼管桿的撓度，且在梢徑為550mm及桿身坡度>0.019時(shí)，撓度控制基本不會(huì)對(duì)桿身計(jì)算產(chǎn)生任何影響，但會(huì)降低桿段的利用率?？傊?，在高壓輸電線路中，鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化項(xiàng)目多且覆蓋面廣，且鋼管桿的撓度、梢徑、截面形狀、主桿壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)及桿塔結(jié)構(gòu)型式、主桿截面形狀、桿塔類型等影響要素都會(huì)對(duì)鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在保證剛度和強(qiáng)度的條件下，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)參數(shù)及影響要素來(lái)提高鋼管桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而為高壓輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障性條件。

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作者簡(jiǎn)介：陶冶（1984—），男，河北石家莊人，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。