某330 kV輸電線路鐵塔利舊分析

王永華, 查傳明，陳國慶,孫家文,華 東,李文強

(1.國網新疆電力有限公司經濟技術研究院，烏魯木齊 830000;2.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司,烏魯木齊 830000;3.國網吉林省電力有限公司經濟技術研究院，長春 130062)

隨著輸電線路工程建設增多，新建線路工程受廊道及地理環境影響，有時會存在鐵塔利舊的現象。針對新建輸電線路工程中存在的鐵塔利舊問題，新建工程的氣象條件和導地線型號與原有鐵塔的設計使用條件不一定完全相符，此時需要認真分析工程設計條件。利舊時，需對原有鐵塔進行校驗，避免出現以小帶大的情況。

1 設計原理

輸電鐵塔結構一般采用桿單元的拉、壓構件進行計算，鐵塔各桿件承受或拉或壓的軸力，不考慮彎矩的影響，因此結構計算時主要為桿件的軸心受拉強度、軸心受壓強度及壓穩強度計算。

極限狀態設計表達式采用荷載、材料性能、幾何參數標準值以及各種分項系數等表達。

1.1 承載能力極限狀態表達式

γo(γGSGK+Ψ∑γQiSQKi)≤R

(1)

式中：γo為桿塔結構重要性系數，重要線路不應小于1.1，臨時線路取0.9，其他線路取1.0；γG為永久荷載分項系數，對結構有利時不大于1.0，不利時取1.2；γQi為第i項可變荷載的分項系數，取1.4；SGK為永久荷載標準值的效應；SQKi為第i項可變荷載標準值的效應；Ψ為可變荷載組合系數，正常運行取1.0，事故、安裝及不均勻覆冰取0.9，驗算取0.75；R為結構構件的抗力設計值。

1.2 軸心受力構件強度計算

N/An≤mf

(2)

式中：N為軸心拉力或軸心壓力設計值；m為構件強度折減系數，按技術規定取值；An為構件凈截面面積；f為鋼材的強度設計值。

1.3 軸心受壓構件穩定計算

受壓構件的穩定計算，考慮了截面的不同形狀和尺寸、不同的加工條件及相應的殘余應力，并考慮0.1%的初始彎曲，得出多條柱子曲線，即λ-φ關系曲線供設計使用。按構件截面分為a、b、c三類。構件穩定計算的表達式如下：

N/(φA)≤mNf

(3)

式中：A為構件毛截面面積；mN為壓桿穩定強度折減系數，即翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比(圖1寬厚比b/t)計算確定，B為角鋼肢寬，b、w為翼緣板自由外伸寬度，t為角鋼肢厚，x為角鋼平行軸，x0為角鋼對稱軸，y0為角鋼最小軸，Z0為角鋼重心線，R為內圓弧半徑；φ為軸心受壓構件穩定系數。

圖1 角鋼構件計算示意圖

2 設計條件對比

某330 kV輸電線路工程總長度約35 km，分為10、15和20 mm重冰區3段。其中15 mm冰區為單回路架設，導線型號為2×JL/G1A-300/50型鋼芯鋁絞線，地線一側為1×19-13.0-1370-B(GJ-100)鋼絞線，另一側采用OPGW-15-120-2(36芯)光纜；氣象條件為：最大風速27 m/s，覆冰厚度15 mm。

在設計過程中業主提出要求，要利舊另一條330 kV線路拆除入庫的鐵塔，可根據工程實際情況進行折減條件使用。通過搜集資料得知，原有330 kV線路工程使用國網通用設計中鐵塔3A2系列[1]，該系列鐵塔設計條件導線型號2×JL/G1A-300/70型鋼芯鋁絞線，地線JLB-120鋁包鋼絞線；氣象條件：最大風速27 m/s，覆冰厚度10 mm。

根據GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[2]、DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[3]和DL/T 5440—2009《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》[4]相關規定，330 kV架空輸電線路為二類工程，覆冰厚度15 mm地區定義為中冰區，覆冰厚度10 mm地區定義為輕冰區，兩個冰區的設計要求有所不同。如將3A2系列輕冰區鐵塔用于覆冰厚度15 mm的中冰區工程，需對該系列鐵塔按實際使用條件進行驗算，以確定是否滿足設計規范要求，現將兩個系列的鐵塔設計條件進行比較, 3A2系列塔型和本工程設計導線參數對比見表1，地線參數對比見表2。

表1 3A2系列塔型和該工程設計導線參數對比

表2 3A2系列塔型和該工程設計地線參數對比

3 直線塔設計條件比較

以3A2-ZMC2-39m塔為例，將該塔型的原有設計條件進行初步折減，將原有3A2系列直線塔設計條件與該工程設計要求條件進行比較分析，見表3、表4。

表3 3A2-ZMC2直線塔與該工程設計檔距驗算對比 m

表4 3A2直線塔和該工程實際直線塔設計覆冰厚度和斷線工況張力差百分比對比

3.1 不均勻覆冰工況計算要求

3A2直線塔和該工程實際直線塔設計參數對比如下。

3A2直線塔：所有導、地線同時同向有不均勻覆冰的不平衡張力，使桿塔承受最大的彎矩。

該工程實際需要考慮2種工況(有2個參數)，第1個參數除了和3A2直線塔相同外，還有第2個參數，即所有導、地線同時不同向有不均勻覆冰的不平衡張力，使桿塔承受最大的扭矩。

對中冰區鐵塔，要比輕冰區鐵塔增加計算不均勻覆冰條件下鐵塔抗扭工況。

3.2 不均勻覆冰工況導線張力差百分比對比

不均勻覆冰工況導線張力差百分比3A2直線塔是10%，該工程是15%，張力差百分比不同，對中冰區，還需判斷一側覆冰率100%，另一側覆冰率30%的情況，張力差百分比取大值。

3.3 不均勻覆冰工況地線張力差百分比對比

不均勻覆冰工況地線張力差百分比3A2直線塔是20%，該工程是25%，張力差百分比不同，對中冰區，還需判斷一側覆冰率100%，另一側覆冰率30%的情況，張力差取大值。

根據上述分析，通過計算可得出3A2直線塔原有設計條件與該工程實際條件下的斷線工況和不均勻冰工況導地線張力差對比(見表5)。

表5 3A2直線塔原設計條件和該工程實際設計條件導地線張力差對比 N

由表5對比可知，該工程實際直線塔與3A2系列直線塔相比，斷線工況下導線張力差增加了31%，地線張力差減少了14.9%；不均勻冰工況下導線張力差增加了185.2%，地線張力差增加了108.1%。

4 直線塔有限元分析

利用有限元軟件ANSYS建立3A2-ZMC2鐵塔模型，并進行模態分析。為簡化模型，將鐵塔桿件模型建立成梁單元，按照實際工程荷載，將荷載輸入模型中，因該塔型為高低腿鐵塔，模型選擇呼高為33 m的鐵塔模型，見圖2。

圖2 直線塔模型

加載荷載后，以39 m呼高為例，模型位移云圖見圖3。

圖3 模型位移云圖

由圖3可以看出，鐵塔模型最大位移值為0.021 538 m。

該塔型為懸垂直線自立式鐵塔，根據GB 50545—2010，懸垂直線自立式鐵塔的計算撓度限值為3h/1 000，此處h為桿塔最長腿頂面至計算點的高度。鐵塔39 m呼高的鐵塔總高度為48.1 m，計算撓度限值為0.144 3 m。由計算得知，本鐵塔最大位移值遠小于計算撓度限值，說明在實際使用條件下，該鐵塔能夠滿足塔頭位移要求。

為繼續研究該鐵塔利舊情況，現分別選擇塔身4-7、15段主材、斜材為研究對象，主材角鋼有3種規格，斜材角鋼有5種規格，見表6。

表6 主材和斜材角鋼規格的選擇 mm×mm

驗算條件下，6段主材桿件的應力比為97.1%，此段主材需要稍微增大規格。塔身斜材的應力比均超過1.0，應力比由上往下逐漸減小，其中塔身4段第一組交叉斜材應力比為161.9%，腿部隔面上部交叉斜材應力比為128.1%，塔身所有斜材均不滿足設計要求，需要全部進行更換。

為更加直觀地研究鐵塔主材、斜材，在分析鐵塔模型有限元之后，提取了相關數據，見表7、表8?？梢钥闯觯鞑慕卿撔枰獫M足要求，而斜材角鋼的計算應力大于允許應力，應力百分比全部超過100%，意味著要替換塔身4-7、15段的所有斜材，故如將3A2系列鐵塔用于本項目，將會產生大量主斜材更換問題，估算更換質量比例約為塔身質量的30%以上，導致原有鐵塔材料的浪費，且部分桿件因內力增大導致端頭連接螺栓數量不足，需增加連接螺栓，包括連接板也要進行相應更換[5]。

表7 主材計算應力及百分比

表8 斜材計算應力及百分比

該工程與3A2系列鐵塔設計氣象條件中風速取值相同，僅僅是覆冰厚度由10 mm增加到15 mm，且本工程導線鋼芯截面積小于原3A2系列鐵塔設計條件，經實際建模驗算發現，如將原有3A2系列鐵塔用于該工程，存在以下問題：

a.原有直線塔桿件更換較多，塔材更換比例達到30%以上，且部分桿件的端頭螺栓數量不足，連接板也需要相應更換，廠家需要重新進行放樣；

b.因桿件更換數量較多，施工單位調換材料較多，施工難度較大；

c.在鐵塔施工階段容易發生桿件混用情況，造成本應該更換的桿件未按要求調整，對后期線路安全運行構成隱患，故建議原有利舊鐵塔不用于本工程，而是按原設計條件在相同氣象區工程使用，避免因設計條件變化引起大面積的材料更換問題[6]。

5 結論

通過對某330 kV線路工程原3A2系列鐵塔利舊分析，鐵塔原設計條件與新工程實際情況不符，并通過有限元計算，對鐵塔主斜材進行分析對比，原鐵塔需要替換的桿件較多，且施工難度較大，因此，該工程不推薦采用該塔型鐵塔利舊方案；此外，鐵塔利舊情況復雜，經驗算滿足設計要求后方可利舊使用。