趙 勇，明 華

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250000；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250000）

0 引言

輸電塔結構是輸電線路工程中的關鍵構筑物，其總投資占到線路工程全部投資的30%左右，因此對輸電塔結構進行優(yōu)化設計，對于節(jié)約輸電線路工程投資具有重要意義。

輸電塔結構是一種高聳的桁架結構，作用在其上的主要荷載為導地線、覆冰及自身的重力荷載，導線或者拉線的拉力，安裝和檢修的各種荷載，風荷載等［1-3］；所有荷載可總結為沿線路方向的荷載、垂直線路方向的荷載和豎向荷載。沿線路方向的荷載和垂直線路方向的荷載主要對輸電塔整體產(chǎn)生彎曲作用，豎向荷載主要對輸電塔整體產(chǎn)生拉壓作用。由于上述大部分荷載均加于塔頭部位，因此其對輸電塔整體的彎曲效果由塔頭部位向塔腿部位而增大，導致輸電塔4 根主材受力由塔頭部位向塔腿部位增大。同時，在桁架整體彎矩一定時，主材受力大小隨主材間距離的增大而減小。因此，為了充分發(fā)揮主材的材料性能，輸電塔通常采用主材帶有坡度的形式，如何合理選擇主材坡度，是輸電塔優(yōu)化設計的主要方面。

1 輸電塔優(yōu)化設計

1.1 典型輸電塔算例簡介

本次計算選取山東地區(qū)典型220 kV 單回路輸電塔2B3-ZM1、2B3-ZM2、2B5-J1、2B5-J4，其結構布置形式如圖1、圖2 所示。2B3-ZM1、2B3-ZM2 兩型為直線貓頭塔，其塔身自貓頭下部開始，塔身全塔高度只有一個坡度；2B5-J1、2B5-J4 兩型為干字形耐張塔，其塔身部分坡度要大于塔頭部分坡度，坡度改變點自橫擔以下兩個節(jié)間開始。由于塔頭部分尺寸主要由電氣間隙控制，因此為減少變量便于比較，本次計算對2B5-J1、2B5-J4 兩型干字形耐張塔僅將塔身部分坡度作為變量。

圖1 2B3-ZM1、2B3-ZM2 示意圖

圖2 2B5-J1、2B5-J4 示意圖

導地線型號、使用檔距和設計氣象條件等設計條件對輸電塔荷載及結構設計具有決定性意義。上述四型輸電塔設計條件如表1 所示。

其中設計用導線安全系數(shù)取2.5，平均運行張力取保證拉斷力的25%；地線安全系數(shù)取4.5，平均運行張力取保證拉斷力的25%。

表1 設計條件

1.2 建模計算

本次建模計算采用鐵塔滿應力計算軟件SmartTower。根據(jù)工程經(jīng)驗，對直線塔其塔身坡度取值為0.05～0.15，間隔0.005；對耐張塔，塔身坡度取值為0.08～0.2，間隔0.005。計算時，固定塔身上口寬度，通過調(diào)整鐵塔根開實現(xiàn)塔身不同坡度的變化。

根據(jù)工程經(jīng)驗預估并考慮塔身高度劃分和結構模數(shù)，主材分段上部取為1.2～1.3 m，下部為1.5 m。

最終，模型如圖3、圖4 所示。

圖3 直線塔模型示意圖

為了充分研究塔身坡度變化對塔重指標的影響，本次計算不對塔身桿件進行統(tǒng)材。

圖4 耐張塔模型示意圖

2 算例分析

2.1 計算結果分析

以計算塔重為研究對象，得出計算結果，受力材重量隨主材坡度值的變化如圖5、圖6 所示。

圖5 直線塔

圖6 耐張塔

由圖5、圖6 可以看出，主材坡度值的變化對塔重指標具有很大影響，且對于受力更大的2B3-ZM2塔和2B5-J4 塔的影響要大于受力更小的2B3-ZM1塔和2B5-J1 塔。

四型塔主材重量均隨著計算范圍內(nèi)主材坡度值的變化而呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。主要原因在于在主材坡度較小時，下部主材受力大，主材選材規(guī)格大，造成塔重較大；隨著主材坡度的增大，主材內(nèi)力值下降，主材選材規(guī)格下降，同時因斜材長度的增加而增加重量小于主材規(guī)格下降而降低的塔重，兩者共同導致受力材總重量下降； 隨著坡度值繼續(xù)增大，主材規(guī)格繼續(xù)下降，但是斜材規(guī)格開始變?yōu)橛砷L細比控制，下降幅度有限，此時因斜材長度的增加而增加的重量開始超過主材規(guī)格下降而降低的塔重，總塔重開始呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 最優(yōu)坡度

根據(jù)計算結果，在荷載一定的情況下，以塔重作為考核指標，各型塔存在著一個最優(yōu)的主材坡度值，如表2 所示。

表2 各型塔最優(yōu)坡度

由表2 可以看出，直線塔的最優(yōu)坡度遠小于耐張塔的最優(yōu)坡度，且隨著荷載的增大，最優(yōu)坡度值增大。根據(jù)本算例計算結果推論，可推測相同導地線型號、設計氣象條件的相同系列塔最優(yōu)化坡度如表3所示。

表3 最優(yōu)坡度建議值

3 關于新規(guī)范的探討

文獻［1］（以下簡稱《鋼標》）已于2018年7月1日開始實施?！朵摌恕?在 《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）（以下簡稱《鋼規(guī)》）的基礎上有較大幅度的調(diào)整。其中《鋼標》7.5.3 條規(guī)定：塔架主桿與主斜桿之間的輔助桿應能承受下列公式給出的支撐力。

當節(jié)間數(shù)不超過4 時，

當節(jié)間數(shù)大于4 時，

式中：N 為主桿壓力設計值。

而目前電力行業(yè)現(xiàn)行的文獻［2］中5.1.7 規(guī)定：桿塔輔助材在其支撐點所提供的支撐力一般不低于所支撐主材內(nèi)力的2%、斜材內(nèi)力的5%。

對比兩本規(guī)范可見，《鋼標》 對桿塔輔助材的支撐強度要求要遠弱于《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》的要求。在目前《架空輸電線路桿塔結構設計技術規(guī)定》設計原則下，對于220 kV 桿塔設計輔助材絕大多數(shù)為電力工程所采用的最小角鋼規(guī)格L40×3，因此在概念上，按照《鋼標》設計的輸電塔即使主材內(nèi)力增大較多其支撐的輔助材規(guī)格也不會增大過多。因此，按照《鋼標》設計的輸電塔其塔重對主材坡度的敏感性將會下降。

新《鋼標》7.6.1 規(guī)定：當受壓斜桿用節(jié)點板和桁架弦桿相連接時，節(jié)點板厚度不宜小于斜桿肢寬的1／8。

目前電力行業(yè)設計輸電塔時常用的做法為文獻［3］中8.5.3 規(guī)定：節(jié)點板厚度應等于或大于斜材或橫材肢厚。

常用角鋼的厚度一般均小于肢寬的1／8，因此，新《鋼標》增大了節(jié)點板的厚度，更加體現(xiàn)了“強節(jié)點、弱構件”的設計原則。

4 結論

經(jīng)過上述討論，本文的主要結論如下：

1）主材坡度的變化對輸電塔設計的塔重指標有明顯影響。

2）桿塔荷載越大，主材坡度對塔重影響越明顯。

3）直線塔的塔身最優(yōu)坡度在0.07～0.09 之間，耐張塔的塔身最優(yōu)坡度在0.09～0.11 之間。

輸電塔設計的相關規(guī)范正在大規(guī)模更新階段，《鋼標》等相關規(guī)范的更新對輸電塔設計經(jīng)驗和實務影響很大。相關配套規(guī)范進入實施階段后，需進一步研究新設計規(guī)范指導下輸電塔設計計算和構造的變化。