輸電線路鐵塔結構設計優化探討

摘要：怎樣在符合鐵塔外廓電氣間隙及其鐵塔工程中所使用的條件下，并考慮鐵塔荷載受力狀況的同時，合理地、最大限度地減少鐵塔各個部位的尺寸及構件，是控制塔型鐵塔重量的關鍵。文章從導線排列方式、鐵塔頭部外形形式、塔身主材坡度、腹桿布置、塔身斷面型式、橫隔處理等方面闡述了桿塔優化設計的思路。

關鍵詞：輸電線路；鐵塔結構設計；塔頭；塔重；塔身坡度；橫隔 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM862 文章編號：1009-2374（2017）03-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.062

本文針對500kV線路工程所設計500SZ直線鐵塔進行設計分析。合理選擇鐵塔的桿塔布置形式、鐵塔斷面、主材斷面型式、主材坡度、腹桿布置等，以確保鐵塔的安全可靠。同時應盡可能地對鐵塔進行優化，以降低工程造價，保證線路的長期安全運行。

1 鐵塔整體結構分析

輸電線路工程中，電氣專業將鐵塔塔型選定、明確之后，讓鐵塔既滿足電氣要求，又在結構方面安全、可靠的前提下，使得塔重最輕、外型美觀、運行維護方便是鐵塔結構優化的主要目標。要實現上述目標，鐵塔需在滿足構造要求的前提下結合外荷載特點進行優化，使鐵塔各部件受力清晰、傳力直接、節點處理簡單、布材滿足其受力特點。

2 鐵塔結構設計優化

500SZ直線鐵塔選取氣象條件為典型氣象區覆冰10mm、30m/s風速。該塔型按同塔雙回路設計，鐵塔呼高為42.0m，水平檔距500m，垂直檔距650m，導線型號為4×LGJ-400/35（安全系數為2.5），地線型號為JLB40-150（安全系數為3）。

2.1 鐵塔塔頭優化設計

在以往常規500kV雙回路線路中，塔頭形式一般布置為鼓形。該塔頭布置形式較為簡潔，傳力清晰，由于導線采取垂直排列方式，塔頭較高，當有跨越要求時，為滿足電氣對地距離要求，全塔高度較高，導致塔身風荷載和上層導地線風荷載較大，塔材耗量和基礎作用力均較大。另外一種形式為雙層橫擔的V串塔型，塔頭為三角形布置方式。兩種塔頭形式的比較如下圖1所示：

鼓型塔：優點是鐵塔掛點簡單明確、由上而下受力傳遞清晰，導、地線的垂直荷載、水平荷載經塔頭橫擔上相應掛點傳遞到鐵塔的身部，同時走廊較窄。缺點為導線采用垂直排列，上下相之間的電氣距離要求使得塔頭較高，塔重較重，約34800.0kg。

雙層橫擔塔：優點為導線布置采用三角排列，比常規塔頭布置減少了一層橫擔從而有效降低了塔高，導地線風荷載和塔身風荷載降低明顯，塔重較輕，約29700.0kg，而且其基礎作用力較小。缺點是下導線橫擔較長，構造復雜，且走廊較寬。

通過以上兩種形式的分析，同時參考已投運的工程中的成熟的設計成果，上述兩種形式都有各自的優點及缺點。鼓塔型塔頭布置較為簡潔，傳力清晰且走廊較窄；V串雙層橫擔塔，導線采取三角排列方式，能有效降低塔高近10m，塔材較鼓形塔降低約10%，同時其基礎作用力也減少12%以上，綜合經濟效益明顯。500kV線路一般對走廊的要求不高且有高跨要求，采用兩層橫擔的V串塔型對降低工程造價顯得更有意義。

2.2 鐵塔塔身橫斷面樣式分析

一般來說，高壓輸電線路所用的直線型鐵塔的塔身橫斷面樣式，有長方形（即矩形）和正方形。直線型鐵塔的水平荷載（即垂直于線路方向，平行于橫擔方向）大于其順線路方向的縱向荷載，故此情況下的鐵塔塔身橫斷面為長方形的樣式是正確的。但其抗縱向荷載能力較差，而方塔抗縱向荷載能力強。因一般500kV電壓等級的線路為主網電源點輸出線路，其安全性、穩定性、重要性要求較高，故一般采用正方形橫斷面的鐵塔塔身。

2.3 鐵塔塔身坡度優化

對有相同斜材形式的鐵塔身部而言，能夠對其主材和斜材產生直接作用的是塔身坡度的變化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口寬度和塔腳根開這三個獨立的變量確定的，即為（塔腳根開-塔身瓶口寬度）/塔身高度。當塔頭形式和呼高確定后，塔身就是一定值，這時塔身坡度就由塔身瓶口寬度和塔腳根開來確定。塔腳根開與塔身瓶口寬度的差值越大，塔身坡度越大；塔腳根開與瓶口寬度的差值越小，相應的塔身坡度越小。在塔身變坡處寬度一定的情況下，塔身坡度的優化實際上就是鐵塔根開的優化，鐵塔根開的大小會控制塔身主材，進而影響整基塔的重量，同時還會對基礎作用力的大小產生較大的影響。塔身坡度越小，鐵塔斜材越短。同時，斜材受力也越小，斜材重量將會減輕，但鐵塔主材內力將加大，主材規格就越大，根據計算，鐵塔主材一般要占整個塔重的40%左右，主材的大小對塔重的影響最大，因此，坡度越小塔重反而會增加。反之，塔身坡度越大，根開就越大，塔身主材內力就越小，主材規格就相應減小，但此時，鐵塔斜材長度會增長，內力隨之而增大，斜材規格將會急劇增加，斜材基本受長細比控制，很明顯，也是不經濟合理的。

塔身坡度、鐵塔整體的安全穩定以及鐵塔重量，三者是相輔相成的，不斷變化的，需要反復設計計算，找到三者的契合點。其中，塔身瓶口寬度尺寸一般來說可調節范圍較小，但是其甚至影響到整個鐵塔的剛度、塔頭的穩定性和全塔的重量。

比較不同塔身坡度對塔重的影響，如圖2所示：

對本文案例500SZ塔型分析，鐵塔的坡度為0.102數值，此時鐵塔塔重是最低的，鐵塔鋼材量最輕，該塔型的工程造價相應最低。

2.4 塔身斜材布置優化

500kV雙回路直線塔塔身較長，主要受力斜材布材形式的合理與否，不但影響鐵塔本身的受力安全可靠，對鐵塔本身的重量和對應工程本體的造價，也是至關重要的。

因此在設計計算中，也需考慮對斜材布材樣式的優化。塔身斜材常用的布置型式有“正K型”、“倒K型”、交叉式等布置，以往單一的交叉布置型式容易使斜材產生同時受壓，幾種方式組合布置可以避免同時受壓情況的發生，使斜材受力成為拉壓系統，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），可減小斜材規格，降低塔重。

斜材布置形式和塔身主材分段長度及輔助材布置型式是密切相關的，確定受力斜材與主材的夾角可使斜材布置合理，外觀顯得協調。夾角大，斜材較平，布置過密，易形成由長細比控制選材，不能充分發揮材料性能。而角度過小，內力加大，會加大選材規格，增加材料長度。結合以往鐵塔設計經驗可知，當斜材與水平面的夾角控制在35°～45°之間時，塔重較輕。當然，在初步確定布材以后，需要不斷對斜材的布置進行調整以使設計趨于最合理化。

2.5 塔身橫隔面的布置

一般，對于在變坡處，集中荷載受力處等必須設置受力橫隔面。橫隔面的形式通過以往工程的經驗積累和不斷優化，許多已經成為了典型隔面形式。選用合適的形式，優化布置鐵塔身部的橫隔面，對于向下傳遞由結構上部外荷產生的扭力、減小塔重、均勻塔身構件內力、減小塔身扭轉效應具有一定的作用。

在實際設計的過程中，需要處理好的關鍵所在是橫隔面的上、下間距的優化布置。

3 結語

500kV雙回路線路工程所設計直線鐵塔塔頭采用雙層橫擔的V串塔型，有效降低塔高約10m，較傳統的鼓形塔節省塔材約10%。鐵塔塔身斷面全部采用“正方形”斷面，提高鐵塔的縱向剛度。合理布置塔身斜材形式及橫隔面的間隔。優化鐵塔塔身的坡度，在塔重相差不大的前提下，盡量取小坡度，以減小征地范圍，有利于環境保護，使鐵塔能夠安全、經濟、可靠，實現“資源節約型，環境友好型”。

參考文獻

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[3] 張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊（第二版）

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作者簡介：朱鴻斌（1975-），男，內蒙古赤峰人，江蘇省送變電海能電力設計咨詢有限責任公司工程師，研究方向：輸電線路結構設計。

（責任編輯：秦遜玉）