一種新型傾斜式輸電鐵塔延長腿的設計研究

鄢秀慶 李美峰 羅海力 辜良雨 蒲凡

西南電力設計院有限公司 成都610021

引言

隨著輸電線路的不斷發展，線路電壓等級也越來越高，受走廊及環境等因素影響，在塔位選擇時常面臨坡度超過40°的陡峭地形。盡管采用全方位長短腿可以解決一部分問題，但是由于最大級差的限制，與實際需求還有較大差距。在這種情況下，鐵塔必須借助上邊坡開方或下邊坡基礎上抬才能滿足地形需要。開方破壞了原始地形地貌，造成較大的臨空面，容易引發水土流失和塌方；另一方面，基礎外露較多亦造成施工困難，且存在較大的安全風險，經濟性較差。

為了解決地形條件的限制問題，需要增大接腿級差和減小基礎外露，目前已經應用的方案主要有采用高度3m左右的鋼柱和采用高度8m～9m的獨立小塔兩種［1，2］，這兩種方式在適應地形的能力上均存在不足。本文結合實際工程，提出一種采用傾斜式高低腿的延長腿，并就延長腿的計算方法、布置形式進行對比分析，提出設計建議。

1 計算模型的選取

1.1 上部鐵塔模型

本文以某500kV雙回路鐵塔SJC2為分析對象，該塔為右轉塔，主要材質為Q355、Q420角鋼，鐵塔外形尺寸如表1和圖1所示。

表1 耐張塔外形尺寸Tab.1 Overall dimensions of the tensile tower

圖1 耐張塔示意Fig.1 Schematic diagram of tensile tower

1.2 延長腿模型

延長腿假定為TJ1型，主要材質為Q355、Q420角鋼，假定它與耐張塔C腿連接。其外形尺寸如表2和圖2所示。

表2 延長腿外形尺寸Tab.2 Dimensions of extended legs

圖2 延長腿模型示意Fig.2 Sketch of extended leg model

1.3 鐵塔-延長腿組合模型

當塔腿與基礎連接時，由于水平推力的作用，導致基礎頂部產生一定的水平位移。以樁基礎為例，設計計算時一般控制在6mm～10mm左右。延長腿為空間桁架結構，與塔腿以鉸接方式連接［3］，如圖3所示。自身剛度遠不如混凝土基礎，因此延長腿頂部的位移比混凝土基礎更大。

圖3 鐵塔-延長腿平面示意Fig.3 Tower-Extended leg plan view

水平位移增大可能導致上部鐵塔的內力重分布，因此只有將延長腿和鐵塔連接為一個整體進行計算，才能反映真實的受力情況。

2 延長腿的布置方式優化設計

延長腿的布置方式對桿件受力、施工難度、塔腿位移等方面都有重要影響，本文根據工程經驗，初步確定了五種延長腿的布置方式，見表3。

表3 延長腿布置方案說明Tab.3 Extension leg layout plan description

采用Smarttower軟件對雙回路鐵塔SJC2進行整體計算分析，鐵塔呼高42m，延長腿高度11.0m，鐵塔C腿與延長腿連接，采用鉸接模型計算［4］，得出五種方案的最大內力和塔重比，結果如表4所示。

各方案延長腿頂部最大水平位移（水平力合力方向）均由大風工況控制，從表4和圖4可以看出：方案一～方案三水平位移較大，同時也大幅大于工程經驗值6mm～10mm［5］，不滿足工程要求；方案四～五相對較小，滿足相關要求。各方案豎向位移較小，為3mm左右，與常規基礎計算相當，滿足工程應用要求。因此，延長腿推薦采用方案四或方案五。

表4 延長腿五種布置方式的計算結果比較Tab.4 Comparison of calculation results of five layouts of extended legs

圖4 五種布置方式的計算結果比較Fig.4 Comparison of calculation results of five layout methods

由于方案五旋轉后加工和基礎定位復雜，因此最終推薦實施更為簡便的方案四布置方式。

3 鐵塔-延長腿的受力分析

選取同塔雙回路耐張塔SJC2，延長腿采用第四種傾斜式延長腿方案，延長腿與C腿相連，構件型式為角鋼。鐵塔的桿件編號見圖5所示。

圖5 桿件編號示意Fig.5 Schematic diagram of rod number

考慮到塔身變坡以上受腿部位移影響較小，本節重點對變坡以下的塔身主材和隔面桿件的內力進行對比分析，表5分別計算了SJC2耐張塔獨立模型A計算軸力，SJC2與TJ1組合模型B計算軸力。

表5和圖6表明，采用延長腿組合模型后，桿件應力變化最大的是橫隔面交叉材。除此之外，B、D腿斜材內力增大了1.64倍和1.09倍，D腿主材內力增大了1.04倍，A、C腿主斜材內力都略有減少?？梢姡娱L腿造成了原鐵塔的內力重分布，因此，應用延長腿方案時，需采用整體模型對原鐵塔進行校驗。

表5 角鋼塔獨立模型與組合模型桿件內力對比表Tab.5 Comparison table of internal force of independent model and combined model

圖6 兩種模型軸力比Fig.6 Axial force comparison of two models

4 工程造價比較

從圖7可以看出，采用延長腿方案，各腿基礎形式可采用單樁基礎，上邊坡僅存在施工操作平臺開挖［6］。而采用常規鐵塔方案，在采用最大級差的情況下，上坡仍然需要開方5m以上，下坡需采用承臺挖孔樁基礎，承臺高度8m，施工難度較大。

圖7 鐵塔基礎配置Fig.7 Basic configuration of tower

表6 兩種方案經濟性比較Tab.6 Comparison of the economics of the two schemes

表6從塔重、基礎混凝土、基礎鋼材、土石方進行了對比。從表中可以看出，采用延長腿后，鐵塔重量增加了9t，但混凝土用量節約38%。延長腿方案綜合造價比常規鐵塔方案節省23%。因此，采用傾斜式延長腿方案具有較好的經濟效益。

5 結語

本文提出了一種適用于地形陡峭塔位的新型傾斜式延長腿方案，并對其布置方式和對上部鐵塔的影響等方面進行了分析，主要有以下結論：

1.新型傾斜式延長腿采用與上部塔腿等坡度傾斜式的布置方案，塔重最輕，頂部位移最小，受力最合理。

2.新型傾斜式延長腿頂部的變形會導致上部鐵塔的內力重分布，因此，需采用鐵塔-延長腿整體模型對原鐵塔進行校驗。

3.采用新型傾斜式延長腿方案后，可以顯著增加級差，避免對上邊坡大量開方。