關(guān)于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的淺析

廖林宏

（福州萬山電力咨詢有限公司，福建 福州 350100）

0 引言

輸電線路桿塔在電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，主要是對架空輸電線路的支撐作用，通過輸電線路桿塔使輸電線路與地面保持相應(yīng)的距離，從而能夠?qū)旊娋€路起到很好的保護(hù)作用，降低地面人為活動以及天氣因素對輸電線路運(yùn)行安全性的影響。當(dāng)前我國所采用的輸電線路桿塔在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還存在著一定問題，與電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)不符合，不能適應(yīng)新時代電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)需要。為此，需要對輸電線路桿塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其承載能力、穩(wěn)定性以及對輸電線路的保護(hù)作用能夠提升，從而促進(jìn)我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展。

1 輸電線路桿塔基本概念概述

在輸電線路建設(shè)過程中，輸電線路桿塔的主要作用是支撐架空導(dǎo)線和地線的基礎(chǔ)裝置，輸電線路桿塔的制造材料主要有鋼材料和混凝土材料。輸電線路桿塔的應(yīng)用，主要目的是降低惡劣天氣環(huán)境和地面人為活動對輸電線路的影響，通過使輸電線路與地面保持一定的高度，從而能夠保證輸電線路運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，保證電力能源能夠高效地輸送到用電戶終端，是保證電力能源輸送的重要基礎(chǔ)設(shè)施。因此，輸電線路桿塔具有重要的作用，所以需要加強(qiáng)對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)前我國輸電線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)主要有角鋼塔型結(jié)構(gòu)、預(yù)制水泥桿型結(jié)構(gòu)以及鋼管桿型結(jié)構(gòu)，角鋼塔型結(jié)構(gòu)是最為常見的結(jié)構(gòu)類型，該結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，使用壽命較長，但是制造成本較高，施工難度較大，后期維護(hù)施工的難度較大，因此需要對現(xiàn)有輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證使用安全性和穩(wěn)定性[1]。

2 輸電線路桿塔建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，我國輸電線路桿塔在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝方面還存在著一些問題，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前我國輸電線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實(shí)際需求。我國當(dāng)前輸電線路桿塔制造生產(chǎn)企業(yè)主要可以分為兩種類型，第一種為以人力手工生產(chǎn)為主的企業(yè)類型，這類企業(yè)主要是由民營企業(yè)所構(gòu)成，在輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的能力較低，且綜合生產(chǎn)水平較差，主要通過制造人員手工加工完成，所以不能好很地保證輸電線路桿塔加工制造質(zhì)量，也基本不具備輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。第二種為大型的國有企業(yè)為主，這些企業(yè)是一般為電力建設(shè)部門的制定桿塔制造企業(yè)，生產(chǎn)能力較強(qiáng)，但是綜合來看依然停留在手工傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，生產(chǎn)水平較低，輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能力較差。因此，當(dāng)前我國較為先進(jìn)的輸電線路桿塔主要依靠從國外引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案等，尤其是在輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，當(dāng)前我國主要的桿塔設(shè)計(jì)單位與制造單位之間缺乏合作，各單位相對獨(dú)立，沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)對輸電線路桿塔力學(xué)計(jì)算，缺少計(jì)算方法與現(xiàn)代信息技術(shù)建模之間的聯(lián)系，從而導(dǎo)致部分輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案缺乏實(shí)踐應(yīng)用價值，許多設(shè)計(jì)方案在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)。這種生產(chǎn)與設(shè)計(jì)分離作業(yè)模式對我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作產(chǎn)生了很大的影響，需要采用科學(xué)的設(shè)計(jì)作業(yè)模式，才能滿足輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求[2]。

3 當(dāng)前我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)方面存在的主要問題分析

根據(jù)當(dāng)前我國輸電線路桿塔的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，可以發(fā)現(xiàn)輸電線路桿塔在結(jié)構(gòu)方面還存在著一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 結(jié)構(gòu)選材方面

材料是保證輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素，當(dāng)前主要的材料為鋼材料和混凝土材料，但是隨著我國現(xiàn)代材料行業(yè)的不斷發(fā)展，多種新型材料卻沒有在輸電線路桿塔中使用，部分新型材料具有成本造價低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，能夠全面提升輸電線路桿塔強(qiáng)度和承載能力，但是卻沒有在輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中使用，因此需要根據(jù)輸電線路桿塔設(shè)計(jì)需求，選擇更多新型材料。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面

輸電線路桿塔對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求較高，因?yàn)樾枰休d輸電線路重量以及天氣因素產(chǎn)生的外部作用力，如果輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，則容易出現(xiàn)倒塌、折斷等問題，從而導(dǎo)致輸電線路無法正常輸送容量。當(dāng)前我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還存在著一些問題，因?yàn)槲覈旊娋€路網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過了全面的改造和升級，對于桿塔的承載能力要求更高，現(xiàn)階段輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)難以滿足實(shí)際輸電線路的承載力需求，所以需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[3]。

3.3 缺乏設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

在現(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展的背景下，出現(xiàn)了多種能夠?qū)U塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的計(jì)算機(jī)軟件，但是在實(shí)際輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)槿狈I(yè)人員，當(dāng)前輸電線路桿塔設(shè)計(jì)中軟件應(yīng)用沒有取得很好的效果，軟件設(shè)計(jì)存在不夠智能化的問題，為設(shè)計(jì)人員增加了較多阻力，從而無法提升設(shè)計(jì)效率。

4 輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法分析

針對當(dāng)前我國部分地區(qū)所使用的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)不合理問題，需要結(jié)合實(shí)際建設(shè)情況，采用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，對現(xiàn)階段我國輸電線路桿塔主流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使其能夠與我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求相匹配。

4.1 動態(tài)規(guī)劃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量更高、重量更輕、造型更加美觀、加工更為簡單以及運(yùn)輸更為方便，通過采用動態(tài)規(guī)劃方法，能夠很好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。動態(tài)規(guī)劃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是指，當(dāng)解決某個問題時，需要運(yùn)用多種手段進(jìn)行解決，通過多種不同方法的互補(bǔ)，能夠達(dá)到對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的目的。在具體的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要深入輸電線路桿塔安裝現(xiàn)場，調(diào)查安裝現(xiàn)場的實(shí)際情況，準(zhǔn)確掌握地理環(huán)境因素以及天氣氣候因素，根據(jù)力學(xué)原理對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，降低輸電線路桿塔的迎風(fēng)面積，從而降低風(fēng)力對塔桿的影響，并選擇合理的制造材料，在保證桿塔強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減少桿塔整體尺寸和占地面積，能夠提高輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)實(shí)用性。通過多種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢更加突出，能夠設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更為簡單、施工更為便利、造型更加美觀的輸電線路桿塔，動態(tài)規(guī)劃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有良好的作用。

4.2 塔頭選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)

塔頭是輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)中的核心部分，是對輸電線路桿塔使用性能影響最大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)前我國輸電線路桿塔的塔頭結(jié)構(gòu)主要有干字形結(jié)構(gòu)和羊字形結(jié)構(gòu)，其中羊字形塔頭結(jié)構(gòu)的使用率更高，因?yàn)檠蜃中嗡^結(jié)構(gòu)實(shí)用性更強(qiáng)，綜合重量更低，能夠降低對下部塔桿的壓力；干字形塔頭的重量相對較高，但是強(qiáng)度也相對較大。以上兩種塔頭結(jié)構(gòu)有著各自的優(yōu)點(diǎn)，需要根據(jù)輸電線路建設(shè)高度、重量以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力大小等確定，如果輸電線路的高度較高，風(fēng)力較小，則可以采用羊字形塔頭結(jié)構(gòu)，如果輸電線路桿塔安裝現(xiàn)場風(fēng)力較大，或?qū)U塔的高度要求較低，則可以采用干字形塔頭結(jié)構(gòu)[4]。除此之外，近些年來我國部分地區(qū)輸電線路桿塔塔頭設(shè)計(jì)也出現(xiàn)了一些新型的結(jié)構(gòu)形式，取得了良好的效果，但是存在著一定的局限性，一般是根據(jù)輸電線路桿塔安裝施工當(dāng)?shù)赜绊懸蛩赜?jì)算而設(shè)計(jì)的塔頭結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)用存在著一定的局限性，但是卻拓展了我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，為桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了新的發(fā)展方向。

4.3 桿塔結(jié)構(gòu)連接和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

輸電線路桿塔在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先需要確保結(jié)構(gòu)簡單，因?yàn)檩旊娋€路桿塔建設(shè)數(shù)量較多，如果結(jié)構(gòu)復(fù)雜還導(dǎo)致實(shí)用性降低，還會增加施工建設(shè)成本。在輸電線路桿塔受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要盡量確保受力構(gòu)件的軸心線能夠即集中在一點(diǎn)，降低偏心受力；輸電線路桿塔的構(gòu)件連接，需要盡量使用多排螺栓，斜材需要與主材連接；主材在節(jié)點(diǎn)處需要保證具有雙面?zhèn)髁π?yīng)，如果不能保證雙面?zhèn)髁Γ瑒t需要設(shè)置保護(hù)措施；輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與連接方式有著直接的聯(lián)系，所以需要在保證受力范圍不變的情況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)連接方式，使內(nèi)部各構(gòu)件的受力更加均勻合理，從而能夠全面提升輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，促進(jìn)桿塔綜合質(zhì)量提升[5]。

4.4 桿塔新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模不斷提升，對于輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)質(zhì)量有了更高的要求。但是受到城市環(huán)境、地形地貌等因素的制約，輸電線路建設(shè)空間被不斷壓縮，常用的角鋼塔已經(jīng)不能滿足城市地區(qū)輸電線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，所以針對輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究方向主要在降低占地面積方面。因?yàn)殇摴軛U結(jié)構(gòu)加工制造難度較高，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為簡單，且造型更加美觀，適合在城市中使用，能夠與城市景觀很好地結(jié)合，城市中使用的鋼管桿結(jié)構(gòu)輸電線路桿塔主要有單桿和雙桿兩種形式，單桿應(yīng)用更多，針對鋼管桿輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要需要注重以下幾點(diǎn)內(nèi)容：（1）在鋼管桿輸電線路桿塔設(shè)計(jì)前期，需要做好輸電線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)調(diào)查，了解輸電線路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)環(huán)境的基本信息，從而確定最佳的鋼管桿形式。（2）根據(jù)調(diào)查資料，確定最佳的鋼管桿桿身和橫坦連接方式，桿身連接可以選擇插接與法蘭連接，如果采用法蘭連接，則需要加強(qiáng)對重量和強(qiáng)度的控制與計(jì)算，從而能夠滿足法蘭連接基本特點(diǎn)。（3）在確保輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，需要對鋼管材料的厚度和質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，以降低重量的為主要目的，能夠全面提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5 輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要方向

我國現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基本為引進(jìn)先進(jìn)的輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論體系，結(jié)合我國具體的實(shí)際情況，通過調(diào)整和創(chuàng)新使其能夠?yàn)槲覈娏W(wǎng)絡(luò)建設(shè)而服務(wù)；在輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)物理性能計(jì)算方面，需要更多地采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模型計(jì)算，從而能夠提高計(jì)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，保證輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)承載能力和受力情況更加科學(xué)，是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的重要方式。通過多措并舉的方式，能全面提升我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作質(zhì)量。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文全面闡述了當(dāng)前我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)方面存在的問題，并以問題為切入點(diǎn)，提出了多項(xiàng)有效的優(yōu)化措施，希望能夠?qū)ξ覈娏W(wǎng)絡(luò)建設(shè)事業(yè)發(fā)展有所幫助，提高我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)質(zhì)量，為社會群眾提供更加穩(wěn)定的電力能源輸送服務(wù)。