重冰區桿塔規劃和結構設計優化研究

高新杰

摘 要：根據重冰區桿塔荷載的特點，對鐵塔塔身的口寬、坡度，斜材的布置，接腿型式和桿件的計算長度進行了優化，并分析了控制工況對塔重的影響。

關鍵詞：重冰區；荷載；塔型；桿塔

中圖分類號：TM754 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0013-02

根據以往工程的經驗和輸電線路的研究設計成果，對適合重冰區的鐵塔型式和絕緣子串型式的相關指標進行了計算、分析和比較。塔頭尺寸的布置不僅直接關系到線路的安全運行，還對線路的電磁環境和走廊寬度具有重要的影響。采用動態規劃的數學方法進行桿塔無約束條件的優化排位，然后根據優化排位結果對桿塔的水平荷載、垂直荷載、塔高、線路轉角進行分析，提出重冰區桿塔規劃的優化方案。

1 桿塔規劃原則

1.1 塔型選擇

在山區線路，直線塔一般占鐵塔總量的70%以上，因此，從降低工程造價和保護自然環境的角度考慮，應合理地規劃和選擇自立式直線鐵塔型式。

1.2 直線塔選型

國內外高壓單回路線路的導線排列主要采用水平排列和三角排列兩種方式，對應的直線塔塔型為“酒杯”型和“貓頭”型，這兩種塔型在我國220～500 kV線路中應用廣泛，屬于成熟塔型。

按照《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》（GB 50545—2010）的規定，要根據現場勘查、衛片選線等情況，在模擬斷面圖上采用動態規劃的數學方法進行桿塔無約束條件的優化排位，然后根據優化排位結果對桿塔的水平荷載、垂直荷載、塔高、線路轉角和塔頭間隙等進行規劃。該規劃可根據要求來完成多塔方案的規劃。系列塔型方案越多，綜合造價就越低。

1.3 耐張塔選型

耐張塔塔型包括“干”字型塔和“酒杯”型塔。耐張塔采用的塔型基本為“干”字型塔。該種塔型線間距離小、中相跳線布置方便，而且企業在其設計、施工和運行方面經驗豐富。

2 鐵塔接腿型式的選擇

“環境友好”是線路建設的總體目標之一，體現在塔型設計上，就是要因地制宜，采用靈活的鐵塔接腿型式，以減少對環境的影響。對山區鐵塔來說，應選取合適的全方位的長短腿級差，以達到節省塔材、保護自然生態環境、減少基面開方、降低工程造價和施工難度、縮短施工周期的目的。

3 重冰區荷載組合

重冰區線路的特點包括：①冰荷載大。重冰區線路成為控制線路各部件強度的主要荷載條件。②具有較特殊的靜、動態特性（如不均勻覆冰、脫冰跳躍等）。重冰區線路對桿塔的縱向、抗扭剛度和強度具有較高的要求。③運行維護困難。重冰區線路不但事故發生率高，而且需要在冰雪天氣下巡查、搶修，事故停電時間長。

重冰區單回線路的荷載組合在運行和安裝上同輕冰區一致，但在斷線狀況中應考慮覆冰斷線，其他荷載組合主要在不均勻冰荷載上。

4 重冰區桿塔的優化

4.1 影響因素

塔重的主要荷載來自于覆冰斷線、驗算冰和不均勻冰的荷載組合，這三種荷載組合的最大特點是：①張力差導致鐵塔承受了最大的縱向彎矩；②導地線掛點遠離塔身（力臂長），使鐵塔承受了最大的扭矩；③轉角塔的角度力使鐵塔承受了最大的橫向彎矩。

在這三個荷載方向的作用下，縱向彎矩是始終存在的、無可避免的；橫向彎矩取決于轉角度數——轉角度數越大，角度力也越大，所產生的橫向彎矩也越大。因此當轉角度數一定時，橫向彎矩也是不可避免的。扭矩則取決于力臂的長短，也就是說，取決于導地線掛點到鐵塔中心的長度，即橫擔長度——橫擔越長，力臂越大，所產生的扭矩也越大。

對于重冰耐張塔而言，由于導線間距較大，扭矩是影響重冰區耐張塔塔重的主要因素，加上覆冰斷線和不均勻驗算冰產生的扭矩所導致的塔重是無扭矩情況下的1.25倍左右，因此，如何同直線塔一樣縮小導線間距，以減小扭矩，進而達到降低塔重的目的，是耐張轉角塔型優化的關鍵。

4.2 桿塔結構的優化

塔身的上、下口寬直接影響著鐵塔的整體剛度和塔重——口寬越小，塔頭的剛度越小，頭部塔身的主材內力越大，塔重也就自然增加；反之則減小。隨著鐵塔口寬的不斷加大，鐵塔會越來越重，因此，最合適的口寬就是在確保鐵塔的整體剛度下，盡量減小口寬，以充分利用構件的承載潛能，降低鐵塔的重量。

塔身斜材常用的布置型式有交叉式、正K型、倒K型等，以往單一的交叉布置型式容易使斜材出現同時受壓的情況，而采用幾種方式組合布置的方式則可以避免同時受壓情況的發生，使斜材受力成為拉壓系統，從而充分利用拉壓系統的受力特性（拉桿對壓桿的穩定計算起支撐作用）減小斜材的規格，降低塔重。幾種典型交叉斜材布置型式如圖1所示。

在進行長短腿組合時，增加長短腿級差可以使桿塔更好地適合山區的陡坡地形，但隨著級差的增大，長短腿之間的剛度差也在增大，從而導致塔重的增加。塔重的變化幅度會隨著長短腿級差的變化而變化——級差越大，鐵塔就越重；反之，則越小。長短腿級差對塔腿內力和塔重的影響如圖2所示。

5 結論

通過對重冰區桿塔設計的分析，可得出以下結論：①重冰區直線塔應采用導線水平排列的酒杯塔，耐張塔的塔型應采用“干”字型塔；②塔身斜材采用交叉式、正K型、倒K型等方式組合布置；③塔重的變化幅度會隨著長短腿級差的大小而變化；④在塔重增加不多的情況下，盡量加大塔身的寬度和坡度；⑤在塔身坡度不變段內不大于平均寬度的4倍處設置剛性隔面，同時確保隔面的剛度，避免隔面因下垂變形而起不到抗扭作用。

參考文獻

[1]中國電力工程顧問集團公司，西南電力設計院，中南電力設計院.DL/T 5440—2009 重覆冰架空輸電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2009.

〔編輯：王霞〕

Abstract： According to heavy ice load characteristics of the tower， the tower of Tower mouth wide， arranged slope， oblique material， then calculate the length of the leg types and bars were optimized， and the effects of working conditions on the tower control weight.

Key words： heavy ice； load； tower type； tower

摘 要：根據重冰區桿塔荷載的特點，對鐵塔塔身的口寬、坡度，斜材的布置，接腿型式和桿件的計算長度進行了優化，并分析了控制工況對塔重的影響。

關鍵詞：重冰區；荷載；塔型；桿塔

中圖分類號：TM754 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0013-02

根據以往工程的經驗和輸電線路的研究設計成果，對適合重冰區的鐵塔型式和絕緣子串型式的相關指標進行了計算、分析和比較。塔頭尺寸的布置不僅直接關系到線路的安全運行，還對線路的電磁環境和走廊寬度具有重要的影響。采用動態規劃的數學方法進行桿塔無約束條件的優化排位，然后根據優化排位結果對桿塔的水平荷載、垂直荷載、塔高、線路轉角進行分析，提出重冰區桿塔規劃的優化方案。

1 桿塔規劃原則

1.1 塔型選擇

在山區線路，直線塔一般占鐵塔總量的70%以上，因此，從降低工程造價和保護自然環境的角度考慮，應合理地規劃和選擇自立式直線鐵塔型式。

1.2 直線塔選型

國內外高壓單回路線路的導線排列主要采用水平排列和三角排列兩種方式，對應的直線塔塔型為“酒杯”型和“貓頭”型，這兩種塔型在我國220～500 kV線路中應用廣泛，屬于成熟塔型。

按照《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》（GB 50545—2010）的規定，要根據現場勘查、衛片選線等情況，在模擬斷面圖上采用動態規劃的數學方法進行桿塔無約束條件的優化排位，然后根據優化排位結果對桿塔的水平荷載、垂直荷載、塔高、線路轉角和塔頭間隙等進行規劃。該規劃可根據要求來完成多塔方案的規劃。系列塔型方案越多，綜合造價就越低。

1.3 耐張塔選型

耐張塔塔型包括“干”字型塔和“酒杯”型塔。耐張塔采用的塔型基本為“干”字型塔。該種塔型線間距離小、中相跳線布置方便，而且企業在其設計、施工和運行方面經驗豐富。

2 鐵塔接腿型式的選擇

“環境友好”是線路建設的總體目標之一，體現在塔型設計上，就是要因地制宜，采用靈活的鐵塔接腿型式，以減少對環境的影響。對山區鐵塔來說，應選取合適的全方位的長短腿級差，以達到節省塔材、保護自然生態環境、減少基面開方、降低工程造價和施工難度、縮短施工周期的目的。

3 重冰區荷載組合

重冰區線路的特點包括：①冰荷載大。重冰區線路成為控制線路各部件強度的主要荷載條件。②具有較特殊的靜、動態特性（如不均勻覆冰、脫冰跳躍等）。重冰區線路對桿塔的縱向、抗扭剛度和強度具有較高的要求。③運行維護困難。重冰區線路不但事故發生率高，而且需要在冰雪天氣下巡查、搶修，事故停電時間長。

重冰區單回線路的荷載組合在運行和安裝上同輕冰區一致，但在斷線狀況中應考慮覆冰斷線，其他荷載組合主要在不均勻冰荷載上。

4 重冰區桿塔的優化

4.1 影響因素

塔重的主要荷載來自于覆冰斷線、驗算冰和不均勻冰的荷載組合，這三種荷載組合的最大特點是：①張力差導致鐵塔承受了最大的縱向彎矩；②導地線掛點遠離塔身（力臂長），使鐵塔承受了最大的扭矩；③轉角塔的角度力使鐵塔承受了最大的橫向彎矩。

在這三個荷載方向的作用下，縱向彎矩是始終存在的、無可避免的；橫向彎矩取決于轉角度數——轉角度數越大，角度力也越大，所產生的橫向彎矩也越大。因此當轉角度數一定時，橫向彎矩也是不可避免的。扭矩則取決于力臂的長短，也就是說，取決于導地線掛點到鐵塔中心的長度，即橫擔長度——橫擔越長，力臂越大，所產生的扭矩也越大。

對于重冰耐張塔而言，由于導線間距較大，扭矩是影響重冰區耐張塔塔重的主要因素，加上覆冰斷線和不均勻驗算冰產生的扭矩所導致的塔重是無扭矩情況下的1.25倍左右，因此，如何同直線塔一樣縮小導線間距，以減小扭矩，進而達到降低塔重的目的，是耐張轉角塔型優化的關鍵。

4.2 桿塔結構的優化

塔身的上、下口寬直接影響著鐵塔的整體剛度和塔重——口寬越小，塔頭的剛度越小，頭部塔身的主材內力越大，塔重也就自然增加；反之則減小。隨著鐵塔口寬的不斷加大，鐵塔會越來越重，因此，最合適的口寬就是在確保鐵塔的整體剛度下，盡量減小口寬，以充分利用構件的承載潛能，降低鐵塔的重量。

塔身斜材常用的布置型式有交叉式、正K型、倒K型等，以往單一的交叉布置型式容易使斜材出現同時受壓的情況，而采用幾種方式組合布置的方式則可以避免同時受壓情況的發生，使斜材受力成為拉壓系統，從而充分利用拉壓系統的受力特性（拉桿對壓桿的穩定計算起支撐作用）減小斜材的規格，降低塔重。幾種典型交叉斜材布置型式如圖1所示。

在進行長短腿組合時，增加長短腿級差可以使桿塔更好地適合山區的陡坡地形，但隨著級差的增大，長短腿之間的剛度差也在增大，從而導致塔重的增加。塔重的變化幅度會隨著長短腿級差的變化而變化——級差越大，鐵塔就越重；反之，則越小。長短腿級差對塔腿內力和塔重的影響如圖2所示。

5 結論

通過對重冰區桿塔設計的分析，可得出以下結論：①重冰區直線塔應采用導線水平排列的酒杯塔，耐張塔的塔型應采用“干”字型塔；②塔身斜材采用交叉式、正K型、倒K型等方式組合布置；③塔重的變化幅度會隨著長短腿級差的大小而變化；④在塔重增加不多的情況下，盡量加大塔身的寬度和坡度；⑤在塔身坡度不變段內不大于平均寬度的4倍處設置剛性隔面，同時確保隔面的剛度，避免隔面因下垂變形而起不到抗扭作用。

參考文獻

[1]中國電力工程顧問集團公司，西南電力設計院，中南電力設計院.DL/T 5440—2009 重覆冰架空輸電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2009.

〔編輯：王霞〕

Abstract： According to heavy ice load characteristics of the tower， the tower of Tower mouth wide， arranged slope， oblique material， then calculate the length of the leg types and bars were optimized， and the effects of working conditions on the tower control weight.

Key words： heavy ice； load； tower type； tower

摘 要：根據重冰區桿塔荷載的特點，對鐵塔塔身的口寬、坡度，斜材的布置，接腿型式和桿件的計算長度進行了優化，并分析了控制工況對塔重的影響。

關鍵詞：重冰區；荷載；塔型；桿塔

中圖分類號：TM754 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0013-02

根據以往工程的經驗和輸電線路的研究設計成果，對適合重冰區的鐵塔型式和絕緣子串型式的相關指標進行了計算、分析和比較。塔頭尺寸的布置不僅直接關系到線路的安全運行，還對線路的電磁環境和走廊寬度具有重要的影響。采用動態規劃的數學方法進行桿塔無約束條件的優化排位，然后根據優化排位結果對桿塔的水平荷載、垂直荷載、塔高、線路轉角進行分析，提出重冰區桿塔規劃的優化方案。

1 桿塔規劃原則

1.1 塔型選擇

在山區線路，直線塔一般占鐵塔總量的70%以上，因此，從降低工程造價和保護自然環境的角度考慮，應合理地規劃和選擇自立式直線鐵塔型式。

1.2 直線塔選型

國內外高壓單回路線路的導線排列主要采用水平排列和三角排列兩種方式，對應的直線塔塔型為“酒杯”型和“貓頭”型，這兩種塔型在我國220～500 kV線路中應用廣泛，屬于成熟塔型。

按照《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》（GB 50545—2010）的規定，要根據現場勘查、衛片選線等情況，在模擬斷面圖上采用動態規劃的數學方法進行桿塔無約束條件的優化排位，然后根據優化排位結果對桿塔的水平荷載、垂直荷載、塔高、線路轉角和塔頭間隙等進行規劃。該規劃可根據要求來完成多塔方案的規劃。系列塔型方案越多，綜合造價就越低。

1.3 耐張塔選型

耐張塔塔型包括“干”字型塔和“酒杯”型塔。耐張塔采用的塔型基本為“干”字型塔。該種塔型線間距離小、中相跳線布置方便，而且企業在其設計、施工和運行方面經驗豐富。

2 鐵塔接腿型式的選擇

“環境友好”是線路建設的總體目標之一，體現在塔型設計上，就是要因地制宜，采用靈活的鐵塔接腿型式，以減少對環境的影響。對山區鐵塔來說，應選取合適的全方位的長短腿級差，以達到節省塔材、保護自然生態環境、減少基面開方、降低工程造價和施工難度、縮短施工周期的目的。

3 重冰區荷載組合

重冰區線路的特點包括：①冰荷載大。重冰區線路成為控制線路各部件強度的主要荷載條件。②具有較特殊的靜、動態特性（如不均勻覆冰、脫冰跳躍等）。重冰區線路對桿塔的縱向、抗扭剛度和強度具有較高的要求。③運行維護困難。重冰區線路不但事故發生率高，而且需要在冰雪天氣下巡查、搶修，事故停電時間長。

重冰區單回線路的荷載組合在運行和安裝上同輕冰區一致，但在斷線狀況中應考慮覆冰斷線，其他荷載組合主要在不均勻冰荷載上。

4 重冰區桿塔的優化

4.1 影響因素

塔重的主要荷載來自于覆冰斷線、驗算冰和不均勻冰的荷載組合，這三種荷載組合的最大特點是：①張力差導致鐵塔承受了最大的縱向彎矩；②導地線掛點遠離塔身（力臂長），使鐵塔承受了最大的扭矩；③轉角塔的角度力使鐵塔承受了最大的橫向彎矩。

在這三個荷載方向的作用下，縱向彎矩是始終存在的、無可避免的；橫向彎矩取決于轉角度數——轉角度數越大，角度力也越大，所產生的橫向彎矩也越大。因此當轉角度數一定時，橫向彎矩也是不可避免的。扭矩則取決于力臂的長短，也就是說，取決于導地線掛點到鐵塔中心的長度，即橫擔長度——橫擔越長，力臂越大，所產生的扭矩也越大。

對于重冰耐張塔而言，由于導線間距較大，扭矩是影響重冰區耐張塔塔重的主要因素，加上覆冰斷線和不均勻驗算冰產生的扭矩所導致的塔重是無扭矩情況下的1.25倍左右，因此，如何同直線塔一樣縮小導線間距，以減小扭矩，進而達到降低塔重的目的，是耐張轉角塔型優化的關鍵。

4.2 桿塔結構的優化

塔身的上、下口寬直接影響著鐵塔的整體剛度和塔重——口寬越小，塔頭的剛度越小，頭部塔身的主材內力越大，塔重也就自然增加；反之則減小。隨著鐵塔口寬的不斷加大，鐵塔會越來越重，因此，最合適的口寬就是在確保鐵塔的整體剛度下，盡量減小口寬，以充分利用構件的承載潛能，降低鐵塔的重量。

塔身斜材常用的布置型式有交叉式、正K型、倒K型等，以往單一的交叉布置型式容易使斜材出現同時受壓的情況，而采用幾種方式組合布置的方式則可以避免同時受壓情況的發生，使斜材受力成為拉壓系統，從而充分利用拉壓系統的受力特性（拉桿對壓桿的穩定計算起支撐作用）減小斜材的規格，降低塔重。幾種典型交叉斜材布置型式如圖1所示。

在進行長短腿組合時，增加長短腿級差可以使桿塔更好地適合山區的陡坡地形，但隨著級差的增大，長短腿之間的剛度差也在增大，從而導致塔重的增加。塔重的變化幅度會隨著長短腿級差的變化而變化——級差越大，鐵塔就越重；反之，則越小。長短腿級差對塔腿內力和塔重的影響如圖2所示。

5 結論

通過對重冰區桿塔設計的分析，可得出以下結論：①重冰區直線塔應采用導線水平排列的酒杯塔，耐張塔的塔型應采用“干”字型塔；②塔身斜材采用交叉式、正K型、倒K型等方式組合布置；③塔重的變化幅度會隨著長短腿級差的大小而變化；④在塔重增加不多的情況下，盡量加大塔身的寬度和坡度；⑤在塔身坡度不變段內不大于平均寬度的4倍處設置剛性隔面，同時確保隔面的剛度，避免隔面因下垂變形而起不到抗扭作用。

參考文獻

[1]中國電力工程顧問集團公司，西南電力設計院，中南電力設計院.DL/T 5440—2009 重覆冰架空輸電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2009.

〔編輯：王霞〕

Abstract： According to heavy ice load characteristics of the tower， the tower of Tower mouth wide， arranged slope， oblique material， then calculate the length of the leg types and bars were optimized， and the effects of working conditions on the tower control weight.

Key words： heavy ice； load； tower type； tower