輕中冰區(qū)懸垂塔塔身交叉斜材的布置夾角研究

馬海云,何松洋,向 越,劉翔云,韓大剛

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著輸電線路事業(yè)的迅速發(fā)展，線路的重要性等級(jí)不斷增加。輸電鐵塔結(jié)構(gòu)作為輸電線路中的重要組成部分，是大型生命線工程和電力輸送的核心支撐，在輸電線路建設(shè)成本中占據(jù)了較大的比重，對(duì)其結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造措施的研究顯得極其重要。鐵塔設(shè)計(jì)水平的高低直接影響線路運(yùn)行的安全，鐵塔設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)布置是否合理、鐵塔選材是否經(jīng)濟(jì)，不但關(guān)系到整個(gè)工程建設(shè)的造價(jià)指標(biāo)，同時(shí)也關(guān)系著工程建設(shè)的可靠性、美觀性和安全性。

在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，部分學(xué)者通過建立混合力學(xué)模型對(duì)輸電鐵塔強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，給出了加固處理的構(gòu)造措施[1]，也對(duì)鐵塔相關(guān)桿件形式、截面材料、根開大小進(jìn)行了優(yōu)化[2]。針對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、桿系傳力、塔身分段高度的選擇等鐵塔設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題，相關(guān)學(xué)者對(duì)輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出了建議[3-4]。并且，其他學(xué)者通過考慮優(yōu)化算法對(duì)輸電塔的形狀、尺寸、選材進(jìn)一步優(yōu)化，在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上來減少鐵塔質(zhì)量[5-7]。合理的鐵塔布置不僅具有較好的安全可靠性，同時(shí)其造價(jià)也比較經(jīng)濟(jì)，能夠達(dá)到安全與造價(jià)的最優(yōu)情況，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。

本文以單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬研究了不同的塔身坡度及交叉斜材角度對(duì)鐵塔質(zhì)量和基礎(chǔ)作用力的影響，從力學(xué)原理上對(duì)相關(guān)結(jié)論進(jìn)行了分析，以得到鐵塔的最優(yōu)塔身坡度和最優(yōu)交叉斜材角度。

1 數(shù)值模型

選取單回路酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔進(jìn)行數(shù)值模擬分析。采用梁桿組合模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其中桿單元采用Link8，梁?jiǎn)卧捎肂eam188，考慮材料非線性和幾何非線性，數(shù)值模型如圖1所示。

規(guī)劃的塔身坡度和典型控制工況如表1所示，懸垂塔和耐張塔分別選取了7種坡度，選取輕中冰區(qū)的典型控制工況(大風(fēng)和不均勻冰工況)進(jìn)行加載。

表1 規(guī)劃的塔身坡度

2 對(duì)鐵塔質(zhì)量的影響

2.1 單回酒杯懸垂塔

在進(jìn)行鐵塔質(zhì)量對(duì)比時(shí)，計(jì)算質(zhì)量考慮板釘系數(shù)。

計(jì)算不同的塔身坡度和交叉斜材角度時(shí)，鐵塔的受力材、輔助材及總質(zhì)量如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可知：

1)最優(yōu)受力材質(zhì)量隨著塔身坡度的增加先減小后增加。

2)輔助材質(zhì)量隨著坡度的增加持續(xù)增加。

3)整體上，總質(zhì)量隨著塔身坡度的增加先減小然后增加，最優(yōu)的坡度在0.1附近。

4)不同坡度對(duì)應(yīng)了不同的最優(yōu)交叉材角度，如圖中各線段最低點(diǎn)所示，最優(yōu)交叉材角度大約為32.5°～42.5°。

當(dāng)鐵塔口寬及交叉斜材角度一定時(shí)，塔身坡度越小，鐵塔斜材、輔助材及隔面桿材就越短，受力也越小，質(zhì)量將會(huì)減輕。但鐵塔主材內(nèi)力將加大，主材規(guī)格就隨之增大。另外，主材質(zhì)量占鐵塔總質(zhì)量的比例大約為65%～75%，主材的大小對(duì)塔重的影響最大，因此，坡度持續(xù)減小過程中塔重最終會(huì)明顯增加。

反之，塔身坡度越大，根開就越大，塔身主材內(nèi)力就越小，主材規(guī)格就相應(yīng)減小，但此時(shí)，鐵塔斜材、輔助材、隔面桿材的長(zhǎng)度會(huì)增加，內(nèi)力隨之而增大，對(duì)應(yīng)規(guī)格將會(huì)急劇增加，且斜材、隔面桿材會(huì)受長(zhǎng)細(xì)比控制，因此坡度持續(xù)增大過程中塔重最終也會(huì)明顯增加。因此，隨著塔身坡度的逐漸增大，受力材質(zhì)量先減小后增加，輔助材質(zhì)量持續(xù)增加，總質(zhì)量先減小后增加。

2.2 雙回鼓形懸垂塔

計(jì)算不同塔身交叉材角度及塔身坡度時(shí)，鐵塔的受力材、輔助材及總質(zhì)量如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知：

1)與單回酒杯懸垂塔不同，除了交叉材角度為42.5°且坡度為0.09時(shí)，雙回鼓形懸垂塔受力材質(zhì)量突然增加外，受力材質(zhì)量整體隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。

2)輔助材質(zhì)量隨著坡度的增加持續(xù)增加。

3)除了交叉斜材角度為42.5°且坡度為0.09時(shí)總質(zhì)量突然增加外，總質(zhì)量整體隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。

3 對(duì)鐵塔基礎(chǔ)作用力的影響

3.1 單回酒杯懸垂塔

計(jì)算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度時(shí)鐵塔的基礎(chǔ)作用力如圖8，圖9所示。

由圖8，圖9可知：

1)同一塔身坡度時(shí)，不同交叉斜材角度對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)作用力基本相當(dāng)，最大差距僅為2.05%。

2)同一交叉斜材角度時(shí)，基礎(chǔ)下壓力和基礎(chǔ)上拔力隨塔身坡度的變化規(guī)律保持一致，即塔身坡度越大，基礎(chǔ)作用力就越小。

因此，對(duì)于征地沒有特別限制的地區(qū)，可以加大塔身坡度，降低基礎(chǔ)造價(jià)，進(jìn)而降低線路工程總造價(jià)。

3.2 雙回鼓形懸垂塔

計(jì)算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度時(shí)鐵塔的基礎(chǔ)作用力如圖10，圖11所示。

由圖10，圖11可知：

1)同一塔身坡度時(shí)，不同交叉斜材角度對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)作用力基本相當(dāng)，最大差距僅為3.6%。

2)同一交叉斜材角度時(shí)，基礎(chǔ)下壓力和基礎(chǔ)上拔力隨塔身坡度的變化規(guī)律保持一致，即塔身坡度越大，基礎(chǔ)作用力就越小，與3.1結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文主要選取了輕中冰區(qū)單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔等典型鐵塔作為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬研究了不同的塔身坡度和交叉斜材角度對(duì)鐵塔質(zhì)量和基礎(chǔ)作用力的影響，研究結(jié)論如下：

1)單回酒杯懸垂塔的受力材質(zhì)量及總質(zhì)量隨著塔身坡度的增加先減小后增加，最優(yōu)坡度分別約為0.1及0.12；而雙回鼓形懸垂塔的受力材質(zhì)量及總質(zhì)量隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。不同坡度對(duì)應(yīng)了不同的最優(yōu)交叉材角度，最優(yōu)交叉材角度大約為32.5°～42.5°。

2)單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔的輔助材質(zhì)量隨著塔身坡度的增加均持續(xù)增加。

3)同一塔身坡度時(shí)，不同交叉斜材角度對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)作用力基本相當(dāng)；而同一交叉材角度時(shí)，塔身坡度越大，基礎(chǔ)下壓力和基礎(chǔ)上拔力越小。