徐明鳴，鄧 威，陳 鑫，何洪波

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，長沙 410007)

窄基鋼管塔具有壓縮線路走廊，減少建設用地，分件運輸和組裝等特點，逐步成為城區(qū)電網(wǎng)建設的主要塔型。其可以設立在城市道路的綠化帶中，較大程度上避免與市政規(guī)劃沖突，另一方面，窄基鋼管塔占地面積遠遠小于傳統(tǒng)鐵塔，對節(jié)約城市的土地資源意義很大［1］，可以說窄基鋼管塔既具有普通鐵塔的加工、運輸、組裝方便的優(yōu)點，又占用線路走廊小，具備外形美觀的優(yōu)勢，因此，開展窄基鋼管塔關鍵設計技術的研究就顯得比較迫切和必要。

220 kV中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔主要采用鋼管和角鋼的組合形式，與常規(guī)鐵塔相比，窄基鋼管塔根開小，高寬比大，整體剛度柔［2］。目前，針對常規(guī)鋼管塔的設計關鍵技術、加工標準等研究取得了較全面成果，而中冰區(qū)多回路窄基鋼管塔的關鍵設計技術研究在國內尚未開展工作。本文重點對220 kV中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔主斜材剛度配比作了研究分析。

1 窄基鋼管塔設計介紹

基準風速取23.5 m/s，設計覆冰取15 mm導線采用2×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，地線采用鋁包鋼絞線JLB40-150。設計導線安全系數(shù)6，地線安全系數(shù)7。鐵塔根開4～6 m，全高采用一個坡度設計。主材采用鋼管，橫擔和塔頭交叉材采用角鋼，構件材質Q235B及Q345B，構件連接采用鍛造法蘭、插板及螺栓。15 mm中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔使用條件見表1。

表1 15 mm中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔使用條件

2 塔身主斜材剛度配比研究

2.1 計算模型

目前的桿塔結構設計主要采用滿應力準則法，該方法是將鐵塔簡化為空間桁架結構，所有構件之間為鉸接，不考慮剪力和彎矩的影響。在桁架結構中，鐵塔主材是主要傳力構件，內力大，主材規(guī)格也較高，斜材作為輔助構件，主要起到約束主材和降低主材長細比的作用，在滿應力設計中斜材的內力較小，往往出現(xiàn)“大主材小斜材”的情況，主斜材剛度差別較大［3］。

在實際情況下，窄基鋼管塔主材和斜材、橫隔材之間采用法蘭、十字插板及C型插板聯(lián)結，增加了節(jié)點的約束和整個鐵塔的剛度，使其不是完全的桁架模型。在桁架模型計算中，存在平面節(jié)點問題，即形成某一鉸節(jié)點的多根桿都在一個平面內，節(jié)點在這個平面內是穩(wěn)定的，但在平面的法線方向上沒有約束，必須增加附加桿件來減小這個節(jié)點的自由度，導致模型復雜并帶來計算誤差［4-6］。本文采用有限元分析桁架模型、剛架模型和桁梁混合模型下窄基鋼管塔主斜材的剛度配比。

2.2 有限元計算

選取SSZG1四回路直線塔與 SSJG61、SSJG64四回路轉角塔為研究對象(見圖1)，四回路直線塔分為1～11個節(jié)間，每個節(jié)間提取最大主斜材內力;四回路轉角塔分為1～8個節(jié)間，每個節(jié)間提取最大主斜材內力。將塔身主斜材逐層分解，分析其不同模型下的力學特性及剛度配比情況。

圖1 四回路直線塔及轉角塔節(jié)間布置

桁架模型采用以滿應力計算為核心的自立式鐵塔內力分析軟件(TTA)計算;剛架模型和桁梁混合模型采用有限元軟件ANSYS進行模擬，剛架模型中全部構件采用Beam188空間梁單元，桁梁混合模型將鐵塔的主材視為梁單元(采用Beam188單元)，其他斜材視為桿單元(采用Link8單元)。Beam188單元既能承受軸向力又能承受剪力和彎矩，基于Timoshenko梁結構理論，并考慮到剪切變形的影響，適合于分析纖細和較長的梁結構，Link8單元只能承受軸向力。鐵塔整體及頭部三維有限元模型見圖2。

圖2 鐵塔整體及頭部三維有限元模型

3種塔桁架模型、桁梁模型和剛架模型的主斜材最大軸力值見表2、表3、表4。

通過計算分析，3種模型的主材軸力值變化幅度較小，基本在3%以內，而斜材軸力值變化幅度相對較大，多在20%～30%。同時四回路窄基鋼管塔斜材占主材內力比值較大，直線塔最大可達6%左右，轉角塔最大可達到9%左右，而常規(guī)角鋼直線鐵塔約為1%～3%、角鋼轉角塔約為2%～5%。

在有限元計算中，桁架模型的所有節(jié)點理想鉸接，桿件只承受軸力，斜材及端部剛度較低，在受力分配中斜材內力值較低。桁梁模型中，提高了斜材兩端節(jié)點剛度，在受力分配中內力值增大。剛架模型中除了提高斜材兩端剛度外，還提高了斜材本身的受力剛度，所以該模型中斜材受力最大。窄基鋼管塔主材通過法蘭連接，增大了桿件端部的約束剛度，需要考慮桿端彎矩對主材受力的影響。塔身鋼管斜材采用C型或十字插板與主材連接，較常規(guī)角鋼構件采用單面螺栓連接方式，鋼管斜材桿端連接剛度大大增加，因此桁梁模型或剛架模型相比桁架模型更符合窄基鋼管塔實際，所以在鐵塔設計中，采用TTA計算的斜材軸力值相對偏小，應予以加強。

3 結論及建議

窄基鋼管塔相對常規(guī)鐵塔，結構剛度較弱，整體高寬比更大，幾何非線性影響更強，同時其更具動力響應敏感性。為保證220 kV中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔結構的可靠性，建議其主斜材內力比值為:直線塔斜材占主材的3%～5%;轉角小于60°的轉角塔斜材占主材的5%～7%;轉角不小于60°的轉角塔斜材占主材的6%～8%。

表2 SSZG61塔主斜材最大軸力值

表3 SSJG61塔主斜材最大軸力值

表4 SSJG64塔主斜材最大軸力值