架空輸電線路桿塔結構優化設計

摘要：架空輸電線路桿塔結構的設計質量與電網線路的經濟性、可靠性存在著較為密切的聯系，更會對電網的安全運行造成較大的影響。架空輸電線路桿塔結構要基于不同的海拔高度來進行設計，主要原因在于桿塔的電氣間隙會受到海拔高度的影響，從而會對桿塔的耗鋼量造成較為嚴重的影響。文章首先分析了架空輸電線路桿塔設計面臨的主要問題，其次就架空輸電線路桿塔結構的優化設計方法進行了探討，具有一定的參考價值。

關鍵詞：架空輸電線路；桿塔結構；優化設計；電網；電氣間隙 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM753 文章編號：1009-2374（2015）01-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0018

1 架空輸電線路桿塔設計面臨的主要問題

1.1 桿塔結構型式的選擇

在對架空輸電線路桿塔結構型式進行選擇時，應對其經濟效益進行充分考慮。通常來說，拉線塔是目前被國內外公認最具有經濟效益的架空輸電線路桿塔結構型式，但是拉線塔不適用于山區，多采用自立式鐵塔代替。我國目前多以拉線塔為主要的桿塔結構型式，以自立式鐵塔為輔。拉線塔具有多種形式：一是絕緣支持式桿塔，但其成本投入較大、制造難度較高，應用較少；二是拉線-拉索桿塔，其最大的優點在于能夠緊湊線路、有效縮小相間距離，特別適合用于特高壓線路工程，最早用于美國、加拿大等國家，但其缺點就在于桿塔的占地面積較寬；三是拉V塔，廣泛應用于超高壓線路中。而常規自立式鐵塔也分為雙回供架鐵塔、單回線路自立式鐵塔兩大類，但由于機械強度很高，故很容易出現故障。

1.2 桿塔強度問題

桿塔強度通常會受到桿塔制造材料、受力形式及結構形式等多種因素影響。為了能夠讓輸電線路持續、穩定、正常地給廣大用戶供電，那么桿塔的強度和剛度也必須滿足相關要求。我國輸電線路多采用環形截面混凝土構件，主要原因在于環形截面混凝土構件的施工質量優良、用料節約、混凝土強度較高。值得注意的是，務必要先進行鋼筋張拉處理，而后再澆注預應力構件，這樣能夠延長桿塔的穩定性和使用壽命。

2 架空輸電線路桿塔結構的優化設計方法

第一，架空輸電線路桿塔結構要基于不同的海拔高度來進行設計，主要原因在于桿塔的電氣間隙會受到海拔高度的影響，從而會對桿塔的耗鋼量造成較為嚴重的影響。同時，要對直線鐵塔的掛線方式進行優化，將塔頭尺寸盡量減小。基于傳統設計經驗來看，中相V串懸掛方式適用于超高壓直線塔，能夠通過減小塔窗尺寸來降低鐵塔耗鋼量。值得注意的是，要基于不同的氣象條件、不同的塔型、不同的導線來合理選擇是否采用邊相V串懸掛方式。

第二，要對桿塔曲臂K節點形式進行優化，單回路桿塔多采用直曲臂形式，構造簡單、K節點受力好、曲臂主材受力簡潔，但塔頭尺寸較大、塔重較重，針對這種情況，可采用彎折曲臂形式，這樣就能夠減小塔頭尺寸，使塔重變得更加經濟、合理。

第三，對塔身坡度和塔根開尺寸進行優化，塔身坡度和塔根開尺寸會對塔身斜材、主材的規格造成直接影響，也會影響到桿塔的美觀度及重量。合理的塔身坡度可以讓塔材受力均勻，也能夠讓材料規格的變化與塔材應力分布的變化相協調。最佳的坡度和根開可以整基鐵塔的重量為目標函數，對基礎作用力和構件受力性能進行綜合考慮來最終選取。

第四，優化斜材布置原則：（1）為了讓腹桿受力變得更合理，可將腹桿的水平角控制在35°～45°之間；（2）為了防止腹桿出現同時受壓的情況，可在隔面處設置K形腹桿，或對塔身隔面間交叉腹桿數量進行優化；（3）務必要使斜材布置簡潔、傳力路線清晰、塔身布材均勻協調，以便能夠合理分配主、斜材受力情況；（4）對斜材的坡度、長度進行優化，比較最小軸、平行軸等多種布置方案，篩選小交叉、大交叉，以便能夠最大限度地降低塔重。

第五，對節點構造進行優化，節點構造是架空輸電線路桿塔結構優化設計的主要環節之一，若不能合理構造節點就有可能會造成架空輸電線路桿塔破壞。通過優化節點構造設計，應該盡量使計算模式與實際塔型相互統一，并在滿足構造要求的前提下將節點盡量簡化，這樣既能夠降低塔重，又可以防止出現次應力。節點構造設計主要遵循下列原則：（1）為了減小桿件斷面損失，應該要盡量避免出現兩面連接桿件對孔布置的情況；（2）要盡量防止出現節點板受彎、桿件偏心連接的情況；（3）要盡量節點板面積，要緊湊式地連接節點；（4）為了降低桿塔重量，應該要減少包角鋼連接數量；（5）應該多用多排螺栓來布置斜材、主材；（6）全方位長短腿設計適用于山區架空輸電線路桿塔，不僅能夠較好地保護自然環境，而且還能夠降低施工難度、縮短工期、減少土石方工程量。

第六，架空輸電線路桿塔可以采用圓截面鋼管，不僅能夠提高結構的穩定性、減小桿件長度，還能夠減小塔身風載荷，主要由于圓截面鋼管的截面抗彎剛度大、受力各向同性、空氣動力學性能好。圓截面鋼管尤其適合用于桿件較長、幾何尺寸較大的大型架空輸電線路

桿塔。

第七，塔頭坡度的優化。對于頭部塔身而言，為了保證剛度要求和上下主材匹配，在規劃的過程中坡度務必要合適。但除了規劃頭部塔身外，還應該考慮頭部連接、頭部橫擔主材與塔身主材之間的相互協調等問題。從目前來看，常用的兩種模式分別是梯形塔身模式和直塔身模式。梯形塔身模式抗扭能力強，能夠較好地對其進行協調，同時，變坡處上下段塔身主材規格接近。而直塔身模式較好布置電氣間隙、加工方便、塔身還能夠與下橫擔形成相互連接的垂直型式或角鋼。

第八，優化塔身坡度。當塔身上口寬一定時，鐵塔斜材與塔身坡度呈正比，若塔身坡度越大，那么鐵塔斜材就越短，同時，斜材重量會增加，斜材受力也會增加，但是鐵塔的主材規格就會越大，鐵塔主材內力也會進一步加大。塔身坡度的大小也會對征地范圍和基礎作用力的大小造成直接影響，基礎作用力會隨著塔身坡度的增大而變小，基礎作用力會隨著塔身坡度的變小而增大，由此可見，架空輸電線路桿塔結構優化設計的關鍵就在于確定合適的塔身坡度。每一個具體的鐵塔都會有一個最佳的鐵塔重量。工程設計經驗表明，塔重會受到塔身坡度的直接影響，而塔重卻很少會受到塔身上口寬的影響。所以，對于架空輸電線路桿塔而言，在滿足變形要求和橫擔構造要求的前提下，不宜選擇過大的塔身上口寬，若塔身上口寬選擇過大會增加架空輸電線路桿塔的塔重，使輔助材的耗量得以大幅度增加。而選取的坡度也應該在基礎作用力、塔重相差不大的情況下，盡量取小的坡度，這樣一來，無疑有利于環境保護，也能夠減小征地范圍。

3 結語

對于架空高壓輸電線路而言，架空輸電線路的桿塔結構是其重要的組成部分。架空輸電線路桿塔結構的設計質量與電網線路的經濟性、可靠性存在著較為密切的聯系，更會對電網的安全運行造成較大的影響，具有極為重要的作用。

總之，要因地制宜、因時制宜地優化架空輸電線路桿塔結構，能夠較好地提高桿塔結構的可靠性、穩定性、科學性，確保電力安全運行。

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作者簡介：楊茜（1978—），女，廣西人，柳州電力勘察設計有限公司助理工程師，研究方向：輸電線路結構設計。

（責任編輯：秦遜玉）endprint