輸電線路大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：在大跨越的輸電線路架設(shè)中，鐵塔結(jié)構(gòu)是保證整個(gè)線路正常運(yùn)作的關(guān)鍵。根據(jù)輸電線路的區(qū)別，不僅在設(shè)計(jì)鐵塔時(shí)需要保證其能承載線路的負(fù)荷，還要盡量降低投入的成本，同時(shí)還要保證鐵塔的安全性。文章對(duì)輸電線路大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：輸電線路；大跨越鐵塔；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；線路架設(shè)；線路負(fù)荷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM753 文章編號(hào)：1009-2374（2016）28-0020-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.011

輸電線路鐵塔是一種立體造型的構(gòu)筑物，一般用于架空高壓或超高壓送電線路導(dǎo)線和避雷線中。根據(jù)線路回路、電壓強(qiáng)度等不同因素的影響，能夠?qū)㈣F塔分成不同的類型。輸電線路鐵塔的建設(shè)在電力工程中是非常重要的部分，對(duì)輸電線路的穩(wěn)定性、安全性有直接的影響。所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要重視鐵塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)還要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)氣候、地形等進(jìn)行分析，還要考慮電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式等。隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)工程的不斷深入，我國(guó)輸電網(wǎng)的建設(shè)逐漸普及，也開始重視鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我國(guó)的輸電線路鐵塔主要分為塔頭、塔身和塔腿三部分，其中塔腿，起著支撐整個(gè)鐵塔的重要作用。我國(guó)鐵塔的材料大多是鋼筋混凝土，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)的不同，會(huì)對(duì)鐵塔有不同的要求。鐵塔的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要是保證各個(gè)零部件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。在建設(shè)鐵塔的過(guò)程中，要以鐵塔的安全性和穩(wěn)定性為基本原則，盡量降低鐵塔的資本投入，減少對(duì)環(huán)境的危害。

1 輸電線路大跨越鐵塔結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

我國(guó)在鋼材方面較為緊缺，因此在大跨越塔建造的起步階段，采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有著穩(wěn)定性較強(qiáng)、安全性較高的特點(diǎn)。和其他的材料相比，這種材料也需要投入更多的成本。從我國(guó)情況來(lái)看，這種材料一般在1990年之前應(yīng)用較多，尤其是長(zhǎng)江中下游平原。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，大跨越塔的要求也在逐漸提高，塔的高度也從原本的116.5m增加到了257m，電壓從最初的220kV增加到了目前的500kV。通過(guò)鋼筋混凝土材料建造的跨越塔，不僅有著較高的質(zhì)量，而且能夠長(zhǎng)時(shí)間使用。但是這種材料的建設(shè)周期較長(zhǎng)、占地面積大，而且對(duì)環(huán)境有一定的污染。在當(dāng)前時(shí)代下，基本上已經(jīng)不使用鋼筋混凝土的鐵塔，尤其是在部分山區(qū)，材料的運(yùn)輸也是一個(gè)難點(diǎn)，就算運(yùn)輸完成了，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的傷害。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，組合角鋼跨越塔逐漸開始出現(xiàn)在輸電線路中。這種跨越塔和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土塔相比有著更強(qiáng)的強(qiáng)度，在該領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，這種材料的跨越塔對(duì)環(huán)境的抵抗力非常強(qiáng)，對(duì)于地震等自然災(zāi)害有一定的可抗性。

在1980年之后，開始出現(xiàn)了鋼管塔。和組合角鋼結(jié)構(gòu)相比，穩(wěn)定性和抗壓性更強(qiáng)。雖然鋼管塔的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但其高強(qiáng)度的特點(diǎn)也符合大跨越塔的要求。此時(shí)出現(xiàn)了好幾條輸電線路在同一跨越塔上，使其重量大大增加。即便如此，鋼管塔的強(qiáng)度也能滿足線路增加后的負(fù)荷。因此，在我國(guó)，有很多重要的線路以及多線路采用的都是鋼管塔，一些重要的塔如通信塔等采用的也是這種材料。鐵塔的結(jié)構(gòu)有著簡(jiǎn)便、易組裝、成本低的特點(diǎn)，在目前我國(guó)的大跨越塔上應(yīng)用較為廣泛。和鋼管塔相比，鐵塔的強(qiáng)度有一定不足；從成本方面看，比鋼筋混凝土要高。但是，從綜合角度看，是目前最適用大規(guī)模輸電線路的跨越塔。鐵塔在安裝方面比較簡(jiǎn)單，即使在山區(qū)可以分開運(yùn)輸，上山后再進(jìn)行安裝，可行性較高。而且在建造周期方面也比較短，因此目前應(yīng)用較為廣泛。鐵塔的具體施工流程如圖1所示：

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圖1 鐵塔制造工藝流程

2 輸電線路大跨越鐵塔設(shè)計(jì)原理及存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)原理

在輸電線路中，大跨越鐵塔起到了重要的支撐作用，在工程中也占了較大的施工比重，一般輸電線路鐵塔的施工時(shí)間占到了整個(gè)工程的1/2，運(yùn)輸量占到了工程的2/5，費(fèi)用基本也在30%以上。因此想要提高線路的質(zhì)量，就必須要對(duì)鐵塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，設(shè)計(jì)合理的施工方案。根據(jù)不同的地理情況以及多種因素的限制，在設(shè)計(jì)鐵塔形式時(shí)，一般以淺埋式為參考。此外，在施工中還要通過(guò)增加基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)底板的尺寸來(lái)保證上拔的穩(wěn)定，確保鐵塔的安全性。在某些地區(qū)，大跨越鐵塔在施工中可能會(huì)受到地下水的影響，因此在埋成過(guò)程中，要保證具有一定的深度。

2.2 存在的問(wèn)題

2.2.1 暴雪危害。在2008年的大雪災(zāi)害中，南方區(qū)域的大量電網(wǎng)受到暴雪影響，大量變電站被迫停運(yùn)，大量的積雪使得鐵塔壓力增大，甚至出現(xiàn)倒塌的情況。另外，當(dāng)積雪落在電線上后，積溫會(huì)導(dǎo)致電線上結(jié)冰，嚴(yán)重威脅了大跨越鐵塔的正常運(yùn)行，對(duì)輸電線路的穩(wěn)定性也有一定的限制，影響了居民的正常用電。因此，在一些氣候比較極端的地區(qū)，在建造大跨越鐵塔時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，包括氣候、地理等，并不是所有的地區(qū)都適用大跨越鐵塔。

2.2.2 環(huán)境腐蝕的危害。大跨越的輸電線路中，鐵塔一般都需要長(zhǎng)時(shí)間處在露天環(huán)境下，而鐵在自然環(huán)境中很容易出現(xiàn)氧化和腐蝕的情況。我國(guó)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，很多地區(qū)都會(huì)出現(xiàn)酸雨，對(duì)大跨越鐵塔的安全性造成了嚴(yán)重的危害，難以保障鐵塔的安全和穩(wěn)定。尤其是在南方，天氣比較濕潤(rùn)，這種氣候下，鐵塔被腐蝕的幾率就更高。另外，土壤的酸堿度也會(huì)對(duì)鐵塔造成一定的影響。因此在建造鐵塔的過(guò)程中，要采取上漆的方式加強(qiáng)對(duì)鐵塔的防銹蝕性。大多數(shù)鐵塔的組裝都是依靠鉚釘，一旦鉚釘被銹蝕，就會(huì)對(duì)整個(gè)鐵塔造成影響，因此還需要對(duì)鉚釘進(jìn)行一定程度的保護(hù)。

2.2.3 地震的危害。在2008年的汶川重大地震災(zāi)害中，輸電線路以及通信線路都受到了嚴(yán)重的打擊。在輸電線路方面，維修比較方便，但是在通信塔和鐵塔的維修上就較為麻煩，需要投入大量的人力物力，同時(shí)還要花費(fèi)一定的時(shí)間，嚴(yán)重影響到人們的正常生活用電。因此必須要對(duì)鐵塔進(jìn)行改良，增強(qiáng)鐵塔的抗震能力，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)。雖然鐵塔的強(qiáng)度較高，但是對(duì)地震類的自然災(zāi)害抗性較差，因此要通過(guò)合理的改造，利用物理學(xué)來(lái)達(dá)到減震的目的。

2.2.4 雷擊。根據(jù)送電輸電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦，在輸電線路中，遭受雷擊的次數(shù)可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

N=rhT

h=hg-2f/3

式中：r指的是地面落雷密度；h指的是避雷線平均高度；T指的是年雷暴日數(shù)；hg指的是避雷線懸掛點(diǎn)高度；f指的是避雷線弧垂。根據(jù)公式可以得出，輸電線路受到雷擊的次數(shù)是隨著地線的高度增加而不斷增加的。因此在對(duì)鐵塔設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要充分考慮到雷擊的因素，根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況，保證鐵塔結(jié)構(gòu)的合理性。

3 輸電線路大跨越鐵塔的主要技術(shù)

3.1 合理設(shè)計(jì)塔頭鉸結(jié)點(diǎn)的位置

鐵塔的鉸結(jié)點(diǎn)也就是桿系結(jié)點(diǎn)，當(dāng)桿系結(jié)點(diǎn)變?yōu)閯傂怨?jié)點(diǎn)后，雖然不會(huì)對(duì)鐵塔的正常工作造成影響，但是會(huì)浪費(fèi)掉一部分的原材料。從對(duì)我國(guó)的鐵塔結(jié)構(gòu)分析可以得出，大部分鐵塔在中間鉸位置都會(huì)添加平連桿，但是在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中并沒(méi)有采取這種做法。在此方面，可以利用三鉸拱的方式解決，這樣不會(huì)對(duì)鐵塔的穩(wěn)定性造成影響。因此在鐵塔設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要保證計(jì)算圖和加工圖的一致性，這樣才能保證鐵塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高鐵塔的安全性。

3.2 布置合理的導(dǎo)線橫擔(dān)下平面斜材

交叉斜材一般都會(huì)安排在橫擔(dān)的主材上，而這很可能產(chǎn)生縱向壓力，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)變形的情況。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)一般都會(huì)在這個(gè)結(jié)構(gòu)上添加短角鋼，但這種方法屬于臨時(shí)的應(yīng)急措施。因此為了對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)縱向壓力進(jìn)行處理，例如將交叉鋼材安裝到橫擔(dān)根部，從而將縱向壓力傳遞到主塔上。

3.3 曲臂傳遞縱向荷載

曲臂鐵塔不僅可以提高鐵塔的美化程度，同時(shí)也增加了鐵塔的實(shí)用性。通過(guò)曲臂結(jié)構(gòu)的鐵塔，能夠很好地平衡縱向荷載，將其傳遞到臂內(nèi)外側(cè)斜材，但是這種方法需要考慮的層面較多。因此設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要考慮到各個(gè)零部件的作用，對(duì)于不能安裝桿件的區(qū)域，一定要嚴(yán)格控制。同時(shí)在力的傳導(dǎo)方向上，還要通過(guò)適當(dāng)?shù)母芗?lái)保證縱向荷載的正確轉(zhuǎn)移。在布置桿系時(shí)要保證其合理性，根據(jù)縱向荷載的方向進(jìn)行調(diào)整。

3.4 大坡度塔身

大坡度塔身的這種設(shè)計(jì)方式，能夠減少大跨越鐵塔建造所消耗的材料，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鐵塔出現(xiàn)不同程度的傾斜。這種設(shè)計(jì)方式在實(shí)際中運(yùn)用較為廣泛，效果也比較好，但是塔身的彎曲也可能為鐵塔帶來(lái)一系列安全問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)斜材進(jìn)行相應(yīng)的完善，在一些關(guān)鍵的環(huán)節(jié)添加支撐或者用雙排螺栓對(duì)主材進(jìn)行固定。此外，在鋼管塔上使用大坡度塔身，雖然需要投入大量的成本，但由于其符合物理學(xué)原理，因此也有一定的可行性。

3.5 偏心問(wèn)題

偏心問(wèn)題屬于鐵塔的核心問(wèn)題，導(dǎo)致鐵塔偏心的因素有很多，總的來(lái)說(shuō)可以總結(jié)為以下四方面：第一，施工中采用單包鐵接頭的方式，導(dǎo)致主材力線偏心；第二，竹材和斜材連接不當(dāng)導(dǎo)致的偏心；第三，主材接頭的型號(hào)、規(guī)格不同引發(fā)的偏心；第四，橫隔面材連接上的偏心。針對(duì)不同的偏心問(wèn)題，要采取不同的解決措施。例如在第三種情況下，可以采用上下主材搭接接頭的方法進(jìn)行完善。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，輸電線路也有較大的發(fā)展空間，必然會(huì)呈現(xiàn)越來(lái)越密集的趨勢(shì)，輸電線路大跨越鐵塔也會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)，因此必須要不斷對(duì)鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，開展深入研究，才能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，保證大跨越輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：劉松（1982-），男，重慶人，海南電力設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士，研究方向：輸電線路。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）