輸電線路桿塔塔身結構設計優化研究

張 斌

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原030001）

1 塔身、塔腿坡度優化

雙回路傘型塔的塔頭立柱（塔頭段塔身）呈錐型布置［1］，變形協調，受力合理、外形美觀。但坡度優化易受電氣間隙圓控制，導致橫擔長度的改變而影響整個塔頭幾何尺寸的變化。塔頭以下塔身段的優化，同樣也會影響塔腿根開和基礎作用力的變化，甚至影響到基礎的耗量和造價。因此，對塔頭立柱和塔身的坡度優化解需綜合優選對比。

塔頭立柱和塔身坡度受塔頭頂部開口、變坡口寬度和塔腿根開控制。塔身變坡口寬度值的大小不僅將同時影響塔頭立柱與塔身結構，此外還可能受電氣間隙圓的影響，導致下橫擔長度發生變化。則令變坡口寬度以電氣間隙圓受控寬度為定值，分別對塔頭立柱和塔身坡度進行優化，其均存在一優化解。結果如下：

2.1 塔頭立柱坡度優化

以變坡口寬度為定值。塔頭立柱頂部開口為變量，選擇下表5個方案。

表1

以上計算表明：塔頭頂部開口寬度取4.0米最為經濟。

2.2 塔腿根開優化

塔腿坡度優化如表2所示（單位：m）：

表1

注：表中電算重量系Q235、Q345材質構件組成。

根據表中優化結果：變坡口開口取6.7m；塔身單側坡度取0.11時，塔材耗量適中，且基礎作用力比較合適。

2 塔身布置優化

2.1 塔身節間布置優化

塔身段主材節間長度布置是否合理要看主材能否充分發揮其材料特性。因為承載能力與主材的長度、截面面積及材料屈服點有關。當主材由強度控制時，主材選取的截面面積（規格）與其所承擔的內力成正比，內力愈大，選取截面面積愈大。當主材由穩定控制時，主材規格的選取則不僅與其所承擔的內力有關，還與主材本身的長度有關，內力不變時，構件的長度越長，所需規格越大；而長度不變時，內力越大，所需規格也越大。因此，當外荷載一定時，構件計算長度確定合適與否會嚴重影響其截面的選擇，直接影響塔重。

最佳的主材計算長度就是主材的強度與穩定相當時的計算長度（即臨界長度）。鋼材的設計強度越大則臨界長度越小，即Q420鋼種比Q345鋼種的臨界長度要小。角鋼肢寬在140～160的主材，當采用Q345時，最小軸布置的計算長度取 1.3～1.4m 最合適，而當采用 Q420時，最小軸布置的計算長度取1.2～1.25m最合適；對于角鋼肢寬在 180～200的主材，當采用Q345時，最小軸布置的計算長度取1.6～1.65m最合適，而當采用Q420時，最小軸布置的計算長度取 1.45～1.50m 最合適。

節間長度的確定還受塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制約，同時應考慮到節間長度對斜材、輔助材的影響以及腹桿布置形式對主材的內力影響。通過采取以設計經驗，塔身段采用三個對比方案如下：

第一、第二方案節間數相等，基本相似。第一方案頂部和底部節間采用K型和倒K型布置，減少了橫隔與塔身匯交點桿件；第二方案底倒K型布置，橫隔面布置位置比第一方案靠下；第三方案系大節間布置方案，斜材數量較少，但桿件長、規格大。三方案對塔材耗量的影響見表3所示：

表3

經節間優化和斜材布置對比。本塔塔身段節間組合采用方案1，節間不等長布置，結構布局較合理、塔材耗量最輕，便于各呼稱高塔身、塔腿段銜接。

可見雖然很難理想地使主材長度達到按穩定計算的承載力等于按強度計算的承載力，但利用此長度作為擬定節間長度的參考值，通過對桿件布置形式、節間長度的進一步優化，是能夠降低部分塔重的。

2.2 塔身斜材、輔助材布置優化

塔身主要受力斜材約占塔身部分重量的50%，占全塔總重的30%左右。塔身斜材的布置是否合適，直接影響到塔重和工程造價。

塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正K型”、“倒K型”等布置，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，可減小斜材規格，降低塔重。常用的塔身交叉斜材布置方式有單分式（如圖1的型式一）和再分式（如圖1的型式二～型式四）：

圖1 布置型式圖

無論采取哪種斜材布置方式，最主要的問題就是斜材與水平面的夾角α的大小，α的大小直接決定了斜材的受力大小，α越大，斜材抗外荷載的力距越小，斜材受力就越大，斜材規格也越大；反之，α越小，斜材抗外荷載的力距則越大，斜材受力就越小，斜材規格也越小，但斜材數量就越多。根據±800kV線路荷載及計算情況，并結合500kV線路鐵塔斜材布置的經驗，通過計算，當斜材與水平面的夾角α控制在 35°～45°之間時，塔重最輕。

3 桿塔塔身隔面優化

在桿塔設計中合理的設置塔身橫隔面，可有效地增加結構的抗扭剛度，傳遞由結構上部外荷產生的扭力，同時能具有一定的均勻塔身構件內力的作用，降低塔重。一般，對于塔身變坡處，集中荷載受力處等位置必須設置受力隔面。

隔面的型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型式（見圖2）。

根據《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》［2］（DL/T5154-2012）第10章“構造要求”規定，對于塔身坡度不變段內，“橫隔面設置的間距，一般不大于平均寬度（寬面）的5倍，也不宜大于4個主材分段”。根據以往工程經驗和工程的特點，隔面設置不宜間隔太大，為加強塔身抗扭的能力，宜按照3個主材分段長度設置一個隔面，以保持結構的外型尺寸不出現鼓突的情況。

根據以往工程經驗，對橫隔面型式的優化配置的原則是：對鋼管塔或角鋼塔頭部或塔身截面尺寸較小的部位，主要采用（a）、（b）、（c）及（d）型式，對于塔身截面尺寸較大的部位則主要采用（e）、（f）及（g）型式。

圖2 常見隔面型式圖

4 長短腿配置優化

采用長短腿設計是保護線路環境的最有效手段。長短腿能適應各種復雜的塔位地形，配合高低基礎的使用，不但能大大減少了土石方工程量、縮短工期、降低施工難度，而且也可最大限度地保護自然生態環境。

4.1 山地塔長短腿優化設計

500 kV線路直線塔的傳統接腿模式為“過渡段”方式的公用腿式，這種方式的優點就是當塔腿主材規格相同時，接腿可在不同呼稱高上互換，但該方式接身部位傳力路線復雜，隔面較多，塔重較重。塔腿直接與身部相連的非公用腿模式可減輕塔重2%～4%左右，但設計工作量顯著加大。

圖3 常見塔腿布置方式示意圖

長短腿組合時，增加長短腿級差可以更好的適合山區陡坡地形，但隨著級差的增大，也增加了長腿與短腿的剛度差，從而導致塔重增加。這是因為長腿和短腿的剛度不同和根開不同造成內力分配存在差異，導致鐵塔部分構件規格的變化而引起塔重的變化。通過測算表明，長短腿級差若控制在7.0m左右時（可適應30°的地形坡度），塔重增幅為1.0%～2%，長短腿級差按最大限度進行設計（11.0m級差，可適應45°的陡坡地形），塔重增幅達到2%～3%。

4.2 平丘地區塔腿設計優化

平丘塔減腿較少，最多設計成4個減腿，即 0.0m、-1.0m、-2.0m、-3.0m，減腿的增加對身部主材、腿部主材及斜材設計內力的增加不顯著（5%左右），不會對其角鋼規格及鐵塔安全造成影響。

圖4 山地平丘鐵塔塔腿比較示意圖

在基本不影響塔重的情況下，將平丘系列塔型考慮按照最大級差3.0m設計，再配合高低主柱基礎，已能適應平丘地區地形變化，達到工程不降或少降基面、保護自然生態環境的目的。