500 kV新崖门大跨越输电塔结构设计

2010-04-03王振华金晓华何天胜

电力建设 2010年9期

王振华，金晓华，何天胜

（广东省电力设计研究院，广州市，510663）

0 引言

台山核电一期至圭峰和桂山2条双回路送电线路中崖门水道段新大跨越输电线路，导线型号为2×KTACSR/EST-1000，导线直径35.7 mm，其跨越塔设计风速为45 m/s，按无覆冰设计。崖门水道新大跨越输电塔为钢管结构，主材最大规格φ1 727 mm×30 mm。大跨越输电塔由塔身主体、地线横担、上下导线横担、中间电梯井筒（包括井筒外旋转楼梯）和休息平台及走道构成。

新大跨越输电塔全高232.5 m，呼称高为200 m，上层横担高为222 m，塔头宽5 m，根开52 m。大跨越输电塔中间设有封闭式电梯井筒，井筒直径1.9 m，另外设有5层休息平台，休息平台的高度分别为30，90，158，200和222 m。

大跨越输电塔的结构设计原则、动力特性、风振系数以及关键位置的细部设计是大跨越工程设计的关键[1-2]，本文针对以上几个方面的问题对500 kV新崖门大跨越输电塔的结构设计进行总结。

1 静力分析

采用东北电力设计院编制的“自立式铁塔内力分析软件IGT2.0”对大跨越输电塔进行整体有限元计算和选材，结构重要性系数为1.1。考虑到钢管构件的横风共振影响，对杆件的允许长细比进行了限制，主材为120，辅材为150，塔腿斜材为120。辅材不参与铁塔整体受力，因此铁塔整体建模不包括辅助材，辅材的承载力按照所支撑主材内力的2%进行计算。除导地线挂点处采用角钢外，全塔均选用钢管，选用Q345B钢材。

将电梯井筒的风荷载按照等效节点荷载施加到井筒与横隔面的支撑处，电梯井筒的等效风荷载按式（1）计算：

式中：βz为风振系数，按照本文第3节计算结果相同高度处的塔身风振系数取值；μs为体型系数，取0.8；μz为高度系数，按分段平均高度取值；w0为基本风压，按风速45 m/s进行计算。

参考国内外钢结构规范[3-4]，考虑钢管局部屈曲，对钢管截面进行分类，按照表1对输电塔主材轴压强度设计值进行折减。

表1 钢管主材轴压强度设计值折减Tab.1 Design value reduction of axial compressive strength of main members

2 动力特性分析

新、旧崖门大跨越输电塔外形如图1所示，新塔全高232.5 m，原塔全高230.5 m。针对输电塔的结构特点，在进行有限元分析时，塔身和横担的主材采用空间梁单元，而其他杆件如塔身和横担的斜材则采用杆单元[5-10]。

本文采用大型通用有限元软件ANSYS对大跨越输电塔进行模态分析，梁单元采用Beam4单元，杆单元采用Link8单元。以有限元理论为基础，结合钢管塔中钢管构件的实际受力特点和连接形式，建立了单塔的无电梯井筒与有电梯井筒的有限元计算模型，有限元模型如图2所示。

表2为大跨越输电塔无电梯井筒与有电梯井筒时的前10阶振型及频率。无电梯井筒与有电梯井筒相比，前10阶振型相同，后者弯曲振型频率略低于前者，两者扭转振型频率几乎相同。由振型及频率计算结果可以看出，电梯井筒降低了输电塔的侧向刚度，但是对其影响相对较小。

大跨越输电塔的第一周期为1.342 s（无电梯井筒）和1.437 s（有电梯井筒）；按文献[7]的大跨越钢管塔的第一周期经验公式计算，计算结果为1.047 s；文献[8]对文献[7]大跨越钢管塔的经验公式进行了修正改进，按文献[8]计算结果为1.201 s。计算结果之间的差异主要是由于输电塔高度和结构自身附加质量大小不同的原因所产生。

表2 大跨越输电塔无电梯井与有电梯井的振型及频率Tab.Tab.2 2 Vibrating mode and frequency of large-span transmission tower with and without electric elevators

原崖门大跨越输电塔导线型号为1×KTACSR/EST-720，高度为230.5 m，呼高为200 m，其第一周期为1.570 s。本工程新大跨越输电塔刚度大于原大跨越输电塔，主要是由于新大跨越输电塔塔头和根开均大于原大跨越输电塔，并增加了横隔面数量，使大跨越输电塔整体刚度得到了提高。

3 风振系数计算

按照GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》计算大跨越输电塔的风振系数[11-12]，其计算公式为

式中：ξ为脉动增大系数；ν为脉动影响系数；φz为振型系数；μz为风压高度变化系数。

表3为风振系数计算结果，其结果已经按照高度加权平均值为1.6进行了处理。由表3可以看出，风振系数由上到下逐渐减小，塔顶处为2.2，塔腿处为1.3。

表3 大跨越输电塔风振系数TTaabb.. 33 Wind vibration coefficient ooff large-span transmission tower

4 细部设计

图3为塔身斜材连接形式，斜材与斜材之间采用相贯连接，斜材与塔身主材之间采用十字插板连接。图4为塔腿斜材连接形式，塔腿斜材与横隔面横材采用相贯连接。

图5为塔腿地脚螺栓连接形式，塔腿地脚螺栓采用内外法兰连接。选用48个M72螺栓，材料为45号钢，其中内圈20个，外圈28个，内外螺栓承载力分配比约为0.42∶0.58。考虑到内外圈地脚螺栓受力的差异性，单个地脚螺栓承载力乘以不均匀系数1.1。

图6为井筒与横隔面的连接示意图，井筒与横隔面采用单插连接，横隔面横材与塔身主材采用法兰连接，其他横隔面斜材均采用单插连接。

图7为休息平台布置形式，电梯井筒外圈设有休息平台，检修和参观人员从电梯出来后通过休息平台与走道相连，休息平台护栏做法同走道。沿横隔面斜材设有1圈走道，走道1宽0.6 m，走道2宽0.5 m。

图7 休息平台布置形式Fig.Fig.7 Layout of rest platform

大跨越输电塔的走道设计除应满足安全和功能要求外，还应满足舒适性要求。图8为走道详图，走道每隔2 m设侧向支撑。护栏由上到下设置4道栏杆，其间隔分别为0.35，0.35，0.3和0.2 m。走道踏板采用规格为L30×3的角钢焊接在L50×4的角钢上，其中角钢L30×3间隔为80 mm。走道踏板通过螺栓与槽钢连接，然后通过角钢与横担或横隔面斜材上的支托板进行螺栓连接。