鄭存波

（溫州電力設計有限公司，浙江 溫州 325000）

電力工程建設時，桿塔會直接影響輸電線路的穩(wěn)定性及安全性，因而要十分重視桿塔的結構設計。要想保證桿塔結構設計具備科學性及合理性，不僅要充分考慮建設地區(qū)的地形情況，還需要注重其天氣狀況，尤其是沿海地區(qū)，臺風天氣多發(fā)，桿塔結構設計中更是要提升其抗臺風的能力，以保證建成后的輸電線路能夠在臺風天氣中平穩(wěn)運行。

1 臺風對沿海地區(qū)大跨越桿塔的影響

我國沿海地區(qū)多海島，架設輸電線路過程中，部分輸電線路會經過多個獨立島嶼，此種狀況下，海纜方式并不適合采用，原因是其用電可靠性及經濟性均比較差，應采用大跨越架空線路的方式，即輸電線路由大跨越桿塔支撐。大跨越桿塔使用期間，風災、地質災害等災害的發(fā)生均會對其產生一定的影響，如地質災害，可能會損害桿塔基礎，或造成桿塔傾斜、倒桿等，進而影響輸電線路的運行，甚至造成大面積的停電事故。眾所周知，在沿海地區(qū)較易發(fā)生臺風天氣，一旦發(fā)生后，如果桿塔承受的水平風荷載超出最初的設計極限，橫傾問題會出現；沿線路方向上，不平衡力產生，導致桿塔縱傾；上拔或下沉塔基。桿塔發(fā)生傾斜、倒桿、斷桿之后，可造成斷線，使輸電線路無法運行，中斷供電。例如“桑美”，是2006年發(fā)生的第8號臺風，于8月10日下午5點在浙江蒼南登錄，中心最大風力17級，最大風速達到60米/秒，登錄后嚴重的破壞了溫州220kV桿塔，桿塔傾倒、桿頭變形、橫擔彎曲等均為此臺風造成的具體破壞形態(tài)，共破壞35基，使當地的供電受到極大的影響。

2 沿?？古_風大跨越桿塔結構的優(yōu)化設計策略

2.1 科學選擇鐵塔材料

以往，大跨越鐵塔使用的材料為Q235、Q345鋼材，其具有良好的穩(wěn)定性及較低的離散度，不過屈服點并不高。相比于國外先進國家，我國輸電鐵塔所采用的鋼材還存在一些缺點，如材質單一、材質可選擇范圍窄、強度值偏低等。隨著不斷的增加輸電線路鐵塔荷載，必須要利用高強鋼材減少鐵塔的耗鋼。根據設計經驗，高強鋼材應用后，能夠減少部分主材肢厚，使鋼材強度得到充分利用，同時，組合截面使用減少，結構構造簡化，更加合理的傳遞結構荷載，增強輸電鐵塔的可靠性、安全性及經濟性?；谏鲜龇治?，本文選擇Q420或Q460高強度角鋼作為鐵塔材料。以長1500mm，L160×16角鋼，中心受壓主材為例，計算Q345、Q420、Q460的承載力，結果顯示，Q420、Q460的承載力分別為1466.1kN、1566.8kN，均高于Q345的1244.6kN；再以上述三個強度等級鋼材作為主材，計算塔重，結果顯示，與Q345鋼材相比，Q420與Q460均降低了計算塔重。這說明，Q420與Q460均能節(jié)省材料重量。在輸電桿塔中，如果高強鋼所占的平均重量為35%左右，將10%左右的原料價格差價去除后，保守估計，Q420與Q460均能節(jié)省造價，前者節(jié)省2%～6%，后者節(jié)省2%～8%。另外，Q420現已形成完成的生產供貨及技術標準體系，而Q460尚在進行試點應用，部分問題還存在于生產供貨及技術標準體系中，由此一來，必然會一定程度的提升造價。同時，Q460較高的要求鋼材質量等級，并具備明顯優(yōu)于Q420的經濟性。因此，本文最終選擇Q420高強角鋼作為輸電鐵塔的主材，高強鋼連接高強鋼時，利用8.8級螺栓，而高強鋼連接其他鋼材則利用8.8級螺栓或6.8級螺栓。

2.2 采用高強度螺栓

輸電角鋼鐵塔結構中，主要采用螺栓連接，且連接時采用的螺栓多為普通螺栓。普通螺栓連接方式便于施工及拆卸，但會使用較多的鋼量。應用高強度螺栓后，構件端頭連接螺栓數量能夠有效減少，且連接板尺寸也可減小，使塔重降低。鍍鋅粗制螺栓為我國目前常用的螺栓類型，其包含4.8級、6.8級、8.8級4類，使用4.8級時，無論角鋼級別為何種，控制均由螺桿實現；使用6.8級時，角鋼級別為Q420、Q460情況下，控制由螺桿實現；使用8.8級時，無論角鋼級別為何種，控制均由構件孔壁承壓或螺栓抗剪承載力實現。這說明，高強鋼應用過程中，不僅要考慮螺栓的抗剪切強度，還需對鋼材孔壁承壓問題格外注意。高強鋼構件與低級別螺栓組合時，角鋼或鋼板對螺栓的螺桿承壓驗算需特別注意。因螺旋存在不同級別，對比各級別的孔壁承壓及螺栓抗剪力后，得出以下四方面的結論。

第一，鋼構件應用Q235鋼時，角鋼肢厚較小情況下，孔壁承壓力均小于單剪承載力，根據孔壁承壓力控制螺栓個數的確定，此時，不管采用哪個級別的螺栓，均能獲得相同的效果，可選4.8級，因其具有最低的價格，而6.8級便于施工；第二，鋼構件應用Q345時，由于其具有較高的強度，角鋼通常會大于L90×7，考慮受力角度情況下，至少應使用M20級別螺栓，此時，已經不適合采用4.8級，應使用6.8級以上；第三，鋼構件應用Q420時，螺栓采用規(guī)律基本相同于Q345；第四，對比6.8級和8.8級螺栓強度比值發(fā)現，8.8級螺栓可減少20%螺栓數量，縮小10%節(jié)點板，即減輕10%的板重量，10.9級螺栓能夠會更多的節(jié)省，但其運行經驗缺乏，不建議使用?；谏鲜鰧Ρ冉Y果，本文最終確定高強度螺栓選用M16 6.8級、M20 6.8級、M24 8.8級。

2.3 優(yōu)化桿塔結構布置

（1）優(yōu)化橫擔布置：鐵塔橫擔布置設計時，設計方案通常有兩種，第一種為抽空橫擔上平面端部的交叉斜材，第二種為抽空橫擔上平面根部的交叉斜材。有限元軟件ANSYS基礎上，建立橫擔結構的空間桁架模型及空間鋼架模型，同時，考慮橫擔結構承載力受到的非線性影響。經分析發(fā)現，如果橫擔結構僅承載豎向荷載，上平面交叉斜材布置形式并不會較大的影響結構整體承載力，適合采用第一種布置形式。但若豎向及水平荷載同時承載，獲得較好效果的仍為第一種布置形式?；诖?，本文采取的橫擔布置方式為抽空上平面端部的交叉斜材，同時，設計根據受力構件進行，以提升結構的承載力。

（2）優(yōu)化開口及根開：鐵塔整體重量及剛度均會直接受到塔身上下口寬度的影響，口寬越大，塔頭剛度越大，可減小塔頭位移及變性，并減小頭部塔身主材內力，降低塔重，因此，鐵塔整體剛度能夠保證前提下，口寬要盡量減小。本文在優(yōu)化過程中，設計了不同的變坡口寬，并利用道亨軟件將塔重計算出來，結果見圖1。根據圖1可知，變坡口寬4.3m為最佳的寬度，0.10～0.105為最佳的塔身坡度。綜合考慮后，本文選擇塔身坡度0.105，變坡口寬4.4m。

圖1 不同變坡口寬與塔重的關系

（3）優(yōu)化塔身斜材的布置：交叉式、正K式、倒K式等為常用的布置塔身傾斜方式，布置形式采用單一方式情況下，同時受壓易發(fā)生在斜材中，組合幾種方式后，此種情況能夠避免，促進塔重降低。無論傾斜布置方式為何種，均需要密切注意斜材與水平面的夾角α，α大小與斜材受力大小直接相關，二者成正比。本文結合沿海地區(qū)臺風天氣情況及地形后，設計α的取值范圍處于35°～45°之間。

（4）優(yōu)化橫隔面設置：橫隔面設置在塔身坡度不變段內時，通常，其間距要在平均寬度5倍以內，且要小于4個主材分段。設置橫隔面過程中，可選位置有三處，一是與斜材交叉點垂直相交的位置，二是斜材交叉下方且橫隔面下為斜材交叉頂點，三是兩組交叉斜材的橫中線，綜合考慮塔重、剛度等因素后，本文選擇前兩處位置設置橫隔面。

（5）確定構件計算長度：具有一定外荷載情況下，能夠適當的確定構件計算長度會對塔重產生直接影響，并對其截面選擇產生重要影響。構件強度與穩(wěn)定相當時，構件的計算長度即為最佳計算長度，軸心受壓，主材實現該目標的難度比較低，但斜材偏心受力，實現難度比較大。經計算發(fā)現，鐵塔總重量中，主材重量約占40%，交叉斜材約占30%，輔助材、板釘及螺栓約占30%。由該比重可以看出，鐵塔主材主要影響鐵塔重量。以高強鋼Q420作為主材時，單角鋼情況下，肢寬140～160時，最佳計算長度1.2～1.25m，肢寬180～200時，最佳計算長度1.45～1.5m；四拼角鋼情況下，肢寬160～180時，最佳計算長度2.5m，肢寬200時，最佳計算長度3.0m。

2.4 桿塔節(jié)點構造設計方案及優(yōu)化

遵循相應規(guī)范標準情況下，本文還采取了以下優(yōu)化措施，對桿塔結構設計做出進一步的優(yōu)化。第一，直線塔塔頭形式、塔身結構形式布置時，盡量利用雙面連接方式連接主材，促進承載力提高；第二，節(jié)點板連接設計中，主材與斜材可采用非標準螺栓準線，使斜材盡量以直接的方式向主材伸入，提升節(jié)點的合理性及緊湊性，節(jié)點剛度有效保證前提下，節(jié)點連接板尺寸盡量減少，構造要求滿足基礎上，螺栓準線在角鋼上布置多條，促進構件偏心值降低。桿件端部剛度提高；第三，主材采取雙排準線時，可在其外排準線上連接輔助材，使連接間隙改善的同時，促進塔重減輕；第四，因主材及斜材夾角會影響主材扣孔，主材連接斜材時，盡量直接伸入，主材凈截面保證后，連接板不用或少用；第五，桿件雙面連接時，布置避免對孔進行，促進其斷面損失減??；第六，緊湊實施節(jié)點連接，并減小節(jié)點板面積。

3 結語

沿海地區(qū)采用大跨越桿塔架設輸電線路時，要結合沿海地區(qū)的地理特點設計桿塔結構，并保證桿塔結構具有較強的抗臺風能力，同時，還要使塔重盡量減小、便于施工，本文優(yōu)化之后的桿塔結構設計具有較強的合理性，適合在沿海地區(qū)推廣。

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