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        一種新型傾斜式輸電鐵塔延長腿的設計研究

        2021-03-06 16:17:04鄢秀慶李美峰羅海力辜良雨蒲凡
        特種結構 2021年1期
        關鍵詞:外形尺寸角鋼鐵塔

        鄢秀慶 李美峰 羅海力 辜良雨 蒲凡

        西南電力設計院有限公司 成都610021

        引言

        隨著輸電線路的不斷發(fā)展,線路電壓等級也越來越高,受走廊及環(huán)境等因素影響,在塔位選擇時常面臨坡度超過40°的陡峭地形。盡管采用全方位長短腿可以解決一部分問題,但是由于最大級差的限制,與實際需求還有較大差距。在這種情況下,鐵塔必須借助上邊坡開方或下邊坡基礎上抬才能滿足地形需要。開方破壞了原始地形地貌,造成較大的臨空面,容易引發(fā)水土流失和塌方;另一方面,基礎外露較多亦造成施工困難,且存在較大的安全風險,經(jīng)濟性較差。

        為了解決地形條件的限制問題,需要增大接腿級差和減小基礎外露,目前已經(jīng)應用的方案主要有采用高度3m左右的鋼柱和采用高度8m~9m的獨立小塔兩種[1,2],這兩種方式在適應地形的能力上均存在不足。本文結合實際工程,提出一種采用傾斜式高低腿的延長腿,并就延長腿的計算方法、布置形式進行對比分析,提出設計建議。

        1 計算模型的選取

        1.1 上部鐵塔模型

        本文以某500kV雙回路鐵塔SJC2為分析對象,該塔為右轉塔,主要材質為Q355、Q420角鋼,鐵塔外形尺寸如表1和圖1所示。

        表1 耐張塔外形尺寸Tab.1 Overall dimensions of the tensile tower

        圖1 耐張塔示意Fig.1 Schematic diagram of tensile tower

        1.2 延長腿模型

        延長腿假定為TJ1型,主要材質為Q355、Q420角鋼,假定它與耐張塔C腿連接。其外形尺寸如表2和圖2所示。

        表2 延長腿外形尺寸Tab.2 Dimensions of extended legs

        圖2 延長腿模型示意Fig.2 Sketch of extended leg model

        1.3 鐵塔-延長腿組合模型

        當塔腿與基礎連接時,由于水平推力的作用,導致基礎頂部產生一定的水平位移。以樁基礎為例,設計計算時一般控制在6mm~10mm左右。延長腿為空間桁架結構,與塔腿以鉸接方式連接[3],如圖3所示。自身剛度遠不如混凝土基礎,因此延長腿頂部的位移比混凝土基礎更大。

        圖3 鐵塔-延長腿平面示意Fig.3 Tower-Extended leg plan view

        水平位移增大可能導致上部鐵塔的內力重分布,因此只有將延長腿和鐵塔連接為一個整體進行計算,才能反映真實的受力情況。

        2 延長腿的布置方式優(yōu)化設計

        延長腿的布置方式對桿件受力、施工難度、塔腿位移等方面都有重要影響,本文根據(jù)工程經(jīng)驗,初步確定了五種延長腿的布置方式,見表3。

        表3 延長腿布置方案說明Tab.3 Extension leg layout plan description

        采用Smarttower軟件對雙回路鐵塔SJC2進行整體計算分析,鐵塔呼高42m,延長腿高度11.0m,鐵塔C腿與延長腿連接,采用鉸接模型計算[4],得出五種方案的最大內力和塔重比,結果如表4所示。

        各方案延長腿頂部最大水平位移(水平力合力方向)均由大風工況控制,從表4和圖4可以看出:方案一~方案三水平位移較大,同時也大幅大于工程經(jīng)驗值6mm~10mm[5],不滿足工程要求;方案四~五相對較小,滿足相關要求。各方案豎向位移較小,為3mm左右,與常規(guī)基礎計算相當,滿足工程應用要求。因此,延長腿推薦采用方案四或方案五。

        表4 延長腿五種布置方式的計算結果比較Tab.4 Comparison of calculation results of five layouts of extended legs

        圖4 五種布置方式的計算結果比較Fig.4 Comparison of calculation results of five layout methods

        由于方案五旋轉后加工和基礎定位復雜,因此最終推薦實施更為簡便的方案四布置方式。

        3 鐵塔-延長腿的受力分析

        選取同塔雙回路耐張塔SJC2,延長腿采用第四種傾斜式延長腿方案,延長腿與C腿相連,構件型式為角鋼。鐵塔的桿件編號見圖5所示。

        圖5 桿件編號示意Fig.5 Schematic diagram of rod number

        考慮到塔身變坡以上受腿部位移影響較小,本節(jié)重點對變坡以下的塔身主材和隔面桿件的內力進行對比分析,表5分別計算了SJC2耐張塔獨立模型A計算軸力,SJC2與TJ1組合模型B計算軸力。

        表5和圖6表明,采用延長腿組合模型后,桿件應力變化最大的是橫隔面交叉材。除此之外,B、D腿斜材內力增大了1.64倍和1.09倍,D腿主材內力增大了1.04倍,A、C腿主斜材內力都略有減少??梢姡娱L腿造成了原鐵塔的內力重分布,因此,應用延長腿方案時,需采用整體模型對原鐵塔進行校驗。

        表5 角鋼塔獨立模型與組合模型桿件內力對比表Tab.5 Comparison table of internal force of independent model and combined model

        圖6 兩種模型軸力比Fig.6 Axial force comparison of two models

        4 工程造價比較

        從圖7可以看出,采用延長腿方案,各腿基礎形式可采用單樁基礎,上邊坡僅存在施工操作平臺開挖[6]。而采用常規(guī)鐵塔方案,在采用最大級差的情況下,上坡仍然需要開方5m以上,下坡需采用承臺挖孔樁基礎,承臺高度8m,施工難度較大。

        圖7 鐵塔基礎配置Fig.7 Basic configuration of tower

        表6 兩種方案經(jīng)濟性比較Tab.6 Comparison of the economics of the two schemes

        表6從塔重、基礎混凝土、基礎鋼材、土石方進行了對比。從表中可以看出,采用延長腿后,鐵塔重量增加了9t,但混凝土用量節(jié)約38%。延長腿方案綜合造價比常規(guī)鐵塔方案節(jié)省23%。因此,采用傾斜式延長腿方案具有較好的經(jīng)濟效益。

        5 結語

        本文提出了一種適用于地形陡峭塔位的新型傾斜式延長腿方案,并對其布置方式和對上部鐵塔的影響等方面進行了分析,主要有以下結論:

        1.新型傾斜式延長腿采用與上部塔腿等坡度傾斜式的布置方案,塔重最輕,頂部位移最小,受力最合理。

        2.新型傾斜式延長腿頂部的變形會導致上部鐵塔的內力重分布,因此,需采用鐵塔-延長腿整體模型對原鐵塔進行校驗。

        3.采用新型傾斜式延長腿方案后,可以顯著增加級差,避免對上邊坡大量開方。

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