1000 kV钢管单柱组合耐张塔结构分析

杨宗奇，郭咏华，张天光，王予平，贾晓亚

（1.河南省电力勘测设计院，郑州市，450007；2.河南省众慧电力工程咨询有限责任公司，郑州市，450007）

0 引言

近几年，我国1000 kV特高压输电技术获得了长足的发展，按照我国电力工业“西电东送、南北互供、全国联网”的中远期发展规划目标，至2020年，我国将建成超过2万km的1000 kV特高压输电线路，受线路走廊、环境保护等各种因素的制约，将会有一半以上的线路采用双回路同塔输电技术[1-2]。与超高压线路的钢管塔相比，特高压双回路的钢管塔荷载更大，结构更为复杂，设计难度也大大增加[3]。考虑各方面因素的影响，我们提出了单柱组合耐张塔这一新塔型。

单柱组合耐张塔通过分塔挂线，取消导线横担，优化跳线布置方案等手段，有效降低了塔高，减小了塔身尺寸，改善了铁塔受力条件，减小了导、地线纵向荷载对塔身的扭矩，提高了铁塔的抗冰、抗风和抗震性能，再加上良好的经济性和地形、地质适应能力及施工方便等优点，使该塔型在我国首条1000 kV交流双回路工程中得到了应用[2]。

1 塔身结构布置形式

本文依照该1000 kV交流双回路工程的施工图设计，采用有限元分析的手段对钢管单柱组合耐张塔的结构布置形式进行一定范围内的讨论。该塔设计风速为30 m/s，设计覆冰厚度为10 mm，验算覆冰厚度为20 mm。导线为8×LGJ-630/45，地线一根为LBGJ-240-20AC，另一根为OPGW-240（24芯）。采用分塔挂线，外角侧塔和内角侧塔各挂上、中、下三相导线和1根地线，结构布置形式如图1所示。塔身主材和交叉斜材全部采用钢管，V面、横隔面和跳线架上部分受力较小的腹杆采用角钢。

在分析的过程中，考虑到角钢抗弯刚度较小，钢管具有较强的抗弯刚度，故钢管构件均按梁单元进行分析，角钢构件按杆单元进行分析[3-9]。由于内角侧塔受力稍大，控制选材，故在分析时只分析内角侧塔。同时作如下假定：

（1）钢材材料均质，各向同性；

（2）钢构件符合线弹性本构模型。

2 塔身结构布置形式分析

塔身结构布置主要是指塔身斜材的布置及主材的分段，塔身斜材主要用来承受剪力，其布置形式主要有交叉形布置和K形布置2种。在以往的设计中，塔腿上面1节和变坡等特殊部位应用较多。

下面依据有限元分析结果，分别介绍各特殊部位不同斜材布置形式对主材内力的影响。

2.1 中导线挂点处

中导线挂点位于塔身，该部位斜材布置形式及挂点位置如图2所示。在分析过程中发现，改变图中①段和②段的斜材布置形式对该处主材的内力影响较大。

将①段的斜材布置形式改为K形支撑后，其结构布置如图3所示，其主材内力变化如表1所示。

表1 ①段2种不同支撑形式主材内力对比表Tab.1 Contrast of the first part’s stress under two different bracing

从表1可以看出：改变①段斜材布置形式后，其主材轴力增大7.7%，其上下2段主材轴力减小0.7%左右；该段主材扭矩变化较小，对总内力影响不大；该段主材上端弯矩减小47.7%，下端弯矩增大31.8%，该段上下2段主材两端的弯矩也略有变化。考虑到1500节点处内力较大，为选材控制点，①段采用图2所示的结构布置形式。

将②段的斜材布置形式改为K形支撑后，该段结构布置如图4所示，该处主材内力变化如表2所示。

表2 ②段2种不同支撑形式主材内力对比表Tab.2 Contrast of the second part’s stress under two different bracing

从表2可以看出：改变②段斜材布置形式后，该段主材轴力减小10.9%，该段上下2段主材轴力减小0.5%左右；该段主材扭矩变化较小，对总内力影响不大；该段主材上端弯矩增大10.5%，下端弯矩减小0.6%，该段上下2段主材两端的弯矩也略有变化。考虑到1500节点处内力较大，为选材控制点，②段采用图2所示的结构布置形式。

2.2 下导线挂点处

下导线挂点位于1901节点处，该部位斜材布置形式及挂点位置如图5所示。在分析过程中发现，改变图中③段和④段的斜材布置形式对该处主材的内力影响较大。

将③段的斜材布置形式改为K形支撑后，该段结构布置如图6所示，该处主材内力变化如表3所示。

表3 ③段2种不同支撑形式主材内力对比表Tab.3 Contrast of the third part’s stress under two different bracing

从表3可以看出：改变③段斜材布置形式后，该段主材轴力增大2.6%，1800-1880段主材轴力减小0.1%，1900-1970段主材轴力减小4.7%；该段主材扭矩略有减小，对总内力影响不大；该段主材上端弯矩增大14.5%，下端弯矩增大55.2%，1800-1880段主材弯矩增大8%左右，1900-1970段主材上端弯矩增大52.2%，下端弯矩增大158.9%。从而可以明显看出，③段斜材采用图5所示的结构布置形式是比较合适的。

将④段的斜材支撑形式改为交叉形布置后，该段结构布置如图7所示，该处主材内力变化如表4所示。

表4 ④段2种不同支撑形式主材内力对比表Tab.4 Contrast of the forth part’s stress under two different bracing

从表4可以看出：改变④段斜材布置形式后，该段主材轴力减小0.1%，1880-1900段主材轴力增大0.3%，1970-1980段主材轴力减小0.9%；该段主材扭矩略有减小，对总内力影响不大；该段主材上端弯矩减小2.4%，下端弯矩增大58.9%，1880-1900段主材的弯矩减小0.6%左右，1970-1980段主材的弯矩增大60.9%。从减小1880-1900段主材轴力和该段主材下端弯矩的角度考虑，④段最终采用图5所示的结构布置形式。

2.3 塔身某较长节间处

在布置塔身的时候有时会碰到主材计算长度过大的情形，有时就会考虑加几根横材，从而将主材分成2份，减小计算长度，如图8所示。

在⑤段中间增加横材后，该处主材内力变化如表5所示。

表5 ⑤段2种不同支撑形式主材内力对比表Tab.5 Contrast of the fifth part’s stress under two different bracing

由表5可以看出：增加横材后，⑤段和1900-1970段主材轴力减小1%左右，其他主材轴力变化较小；该段主材扭矩略有变化，对总内力影响不大；该段主材上端、该段主材下端、1900-1970段主材下端以及1980-3500段主材的上端弯矩均增大1倍以上，并且该段主材中间部位弯矩明显增大，且比该段主材两端弯矩大31%以上，其他部位主材弯矩变化较小。综合考虑轴力和弯矩的因素，在塔身结构布置时未采用增加横材的办法。

2.4 塔身与塔腿连接处

在1980-3500段，角钢塔设计时经常会将斜材设计为K形，从而使横隔面杆件变为零杆，降低塔重，也使铁塔受力更为合理。该塔设计时，考虑各方面因素，将该段斜材设计为交叉形结构，如图5所示。

将⑥段的斜材布置形式改为K形支撑后，该段结构布置如图9所示，该处主材内力变化如表6所示。

从表6可以看出：改变⑥段斜材布置形式后，该段主材轴力减小2.5%，1970-1980段主材轴力略有增大，3500-3900段主材轴力略有减小；该段主材扭矩略有增大，对总内力影响不大；该段主材上端和1970-1980段主材下端弯矩增大5倍左右，1970-1980段主材上端弯矩增大2倍左右，该段主材下端和3500-3900段主材上端弯矩增大1倍左右，其他部位主材弯矩变化较小。从而可以看出，⑥段斜材采用K形布置以后，虽能减小主材轴力，但主材弯矩增大太多，对主材受力不利，最终采用图5所示的结构布置形式。

结合以上计算分析可以看出，塔身布置形式对塔身主材内力影响很大，图5所示的塔身布置形式对塔身主材受力是比较有利的。

3 塔腿结构布置形式分析

3.1 塔腿结构布置形式

塔腿结构布置主要是指塔腿辅助材的设置，以及塔腿主材和塔腿斜材的分段。设计时，通常按照单纯铰接体系进行计算，辅助材是不受力的，塔腿主材分段越多，稳定计算应力越小。因此常根据其长度及长径比的要求，将其分为2段、3段，甚至更多。在此次工程设计中，依据有限元分析结果，将主材分为1段或2段，将斜材分为2段或3段。

本塔这3条腿的长短腿设置如图10所示，最短腿为图中⑦段所示的那条腿，最长腿为图中⑨段所示的那条腿。

表6 ⑥段2种不同支撑形式主材内力对比表Tab.6 Contrast of the sixth part’s stress under two different bracing

3.2 长短腿组合

由有限元分析结果可知，长短腿组合时，短腿内力较大，起控制因素，因此首先分析长短腿组合时的情况。由图10可知，最短腿为⑦段，最长腿为⑨段，⑦段和⑨段结构布置图如图11、图12所示。

由表7可以看出，长短腿组合的情况下，加入辅助材后，各腿主材轴力减小1%左右；各腿主材扭矩变化很小，且对总内力影响很小；各腿主材弯矩明显增加，其中最长腿塔脚处主材弯矩增加最多，约为190.0 kN·m，最长腿中间部位主材弯矩增加幅度最大，约为未加入辅助材时的9.28倍。另外，由最短腿内力变化可以看出，塔腿斜材分段对主材内力影响很小，可以忽略。

表7 长短腿组合时塔腿主材内力对比表Tab.7 Contrast of the tower leg’s stress under long and short leg

3.3 长长腿组合

在单纯铰接体系的计算中，通常在长短腿组合下，短腿主材内力最大，为塔腿主材选材控制条件，因此只做长短腿组合的计算分析就可以。而从表7可以看出，加入辅助材以后，长腿弯矩的影响比较大。在弯矩应力的影响下，长腿应力有可能超过短腿应力，成为塔腿主材选材控制点。为分析长腿弯矩的影响，特分析长长腿组合时的情况。⑨段布置图如图12所示，长长腿组合时的内力情况如表8所示。

由表8可以看出：未加入辅助材时，长长腿组合的长腿主材轴力约比长短组合的长腿主材轴力增大20%，可见长长腿组合时，对长腿来说是不利的；加入辅助材以后，各腿主材轴力约减少1%；主材扭矩变化较小，对总内力影响很小；各腿主材弯矩明显增加，其中塔脚处主材弯矩增加最多，约为208.6 kN，塔腿中间部位主材弯矩增加幅度最大，约为未加入辅助材时的11.3倍。

表8 长长腿组合时塔腿主材内力对比表Tab.8 Contrast of the tower leg’s stress under long and long leg

本塔塔腿主材为φ610×14，由表7和表8可以算出，长短腿组合时短腿塔脚处应力最大，为270.9 MPa；长长腿组合时塔腿中间部位应力最大，为279.6 MPa。所以对该塔来说，长腿主材已经成为塔腿主材选材控制条件。

3.4 塔腿分段的分析

在单纯铰接体系的计算中，主材分段越多，主材稳定计算应力越小，对主材受力越有利。而由以上分析可以看出，塔腿主材分段对主材内力影响很大，最短腿只有1段，加入辅助材后内力变化不大；最长腿分为2段，加入辅助材后内力变化很大。为分析塔腿主材分段对主材内力的影响，取中间腿⑧段平腿情况进行分析，其结构布置如图13所示。实际应用时，该腿主材是分为2段。

由表9可以看出：该腿加入辅助材后，各腿主材轴力减小1%左右；各腿主材扭矩变化很小，对总内力影响也很小；各腿主材弯矩明显增加，其中塔脚处主材弯矩增加最多，约为177.2 kN，塔腿主材中间部位弯矩增加幅度最大，约为未加入辅助材时的10.6倍。同等情况下，该腿加入辅助材后的主材内力变化比最长腿小。

表9 ⑧段塔腿主材内力对比表Tab.9 Contrast of the tower leg’s stress of the eighth part

从⑧段的分析可以看出，较短腿主材分段对其主材内力的影响较小，现将⑦段主材分为2份，如图14所示，并分析其内力的变化。

表10 ⑦段主材分为2份时塔腿主材内力表Tab.10 Contrast of the tower leg’s stress of the seventh part when its leg is divided into two parts

由表10和表7可以看出，两短腿主材分为2段并加入辅助材后，主材轴力减小1%左右；主材扭矩值略有减小，对总内力影响也很小；主材弯矩明显增加，其中塔脚处增加最多，约为94.3kN，弯矩增加幅度约为3倍。可以看出，最短腿主材分为2段并加入辅助材后，其主材内力变化比⑧段加入辅助材后小，比⑨段加入辅助材后更小。可见分段多少一样的情况下，塔腿越长，分段对主材内力影响越大。

为分析分段多少对塔腿主材的影响，将最长腿分为3段，如图15所示，并分析其主材内力的变化。

由表11和表7可以看出：与⑨段分为2段时相比，主材轴力增加0.5%左右；扭矩变化不大，对总内力影响很小；塔脚处弯矩增加最多，约为174.7 kN，中部弯矩增大幅度最大，约为1.23倍。可见塔腿主材分段越多，主材弯矩值增加越大，而主材轴力和扭矩则变化不大，且对总内力影响也很小。

表11 ⑨段主材分为3份时塔腿主材内力表Tab.11 Contrast of the tower leg’s stress of the ninth part when its leg is divided into three parts

结合以上计算分析可以看出，塔腿结构布置形式对塔腿主材内力影响很大，本文推荐的塔腿结构布置形式对塔腿主材受力比较有利。

4 结论

（1）钢管塔中，弯矩的影响非常明显。

（2）简单按照钢结构设计规范里“‘在桁架平面内杆件的节间长度或杆件长度与截面高度（或直径）之比不小于12（主管）和24（支管）时’，‘分析桁架内力时可将节点视为铰接’”进行钢管塔的设计是不合适的[12]，应对钢管塔进行梁杆混合单元的分析。

（3）结构布置对钢管塔主材内力影响很大，优化钢管塔结构布置是优化钢管塔构件选材的有效手段。

（4）导线挂点处斜材用交叉形支撑比较有利；变坡处上面1段用交叉形支撑比较有利，下面1段用K形支撑比较有利；塔腿上面1段斜材用交叉形支撑比较有利。

（5）在塔身交叉斜材结构设计时，不宜采用增加横材以减小计算长度的布置形式。

（6）在分析塔腿主材内力时，应该把辅助材放进去进行计算。把辅助材放进去以后，塔腿主材弯矩会急剧增加，进而导致塔腿主材内力变大。并且，塔腿主材在分段相同的情况下，塔腿越长，主材内力增大越多。塔腿主材长度相同的情况下，分段越多，主材内力增大越多。

（7）长腿主材的弯矩作用非常明显，会成为腿部主材选材控制条件。因此，除了做长短腿组合的分析外，还需要做长长腿组合的分析。

[1]吴敬儒，徐永禧，我国特高压交流输电发展前景[J].电网技术，2005，29（3）：1-4.

[2]李显鑫，郭咏华，唐明贵.1000 kV交流双回路单柱组合耐张塔型式规划[J].电网技术，2009，32(7)：1-6.

[3]韩军科，杨靖波，杨风利，等.特高压钢管塔主材长细比及径厚比的取值[J].电网技术，2009，33（19）：17-20.

[4]曹枚根，徐忠根，刘智勇.大跨越输电钢管组合塔动力特性的理论分析[J].电力建设，2005，26（12）：51-54.

[5]李茂华，杨靖波，李正良，等.1000 kV双回路钢管塔次应力的影响因素[J].电网技术，2010，34（2）：20-23.

[6]杨靖波，韩军科，李茂华，等.特高压输电线路钢管塔计算模型的选择[J].电网技术,2010，34(1)：1-5.

[7]潘汉明，郭彦林，梁 硕.大直径薄壁钢管压弯构件的稳定分析[J].土木工程学报，2007，40（3）：11-17.

[8]Ewins D J.Modal testing∶theory，practice and application[M]，Baldock∶Research Studies Press，2000.

[9]李月华.钢桁架结构次应力影响分析[D].郑州：郑州大学，2005.

[10]Q/GDW 178—20081000 kV交流架空输电线路设计暂行技术规定[S].

[11]DL/T 5092—1999110～500 kV架空送电线路设计技术规程[S].

[12]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].

[13]杨靖波.插板和法兰连接钢管杆端约束界定与起振临界风速计算[J].电力建设，2005，26（10）：30-32，35.

[14]杨靖波.输电线路钢管塔微风振动及其对结构安全性的影响[J].电力建设，2008，29（2）：11-14.

[15]叶 尹.大跨越塔采用复合构件的振动特性研究[J].电力建设，2006，27（6）：5-7.

[16]王藏柱，田志兵，杨晓红.多边形插接式钢管塔的结构优化设计[J].电力建设，2002，23（4）：45-47，62.

[17]刘沪昌.架空送电线路大跨越钢管塔横向风振问题的探讨[J].电力建设，2002，23（7）：38-39.

[18]谢 平.直流跨越杆塔选型与结构优化[J].电力建设，2008，29（3）：32-35.

[19]李显鑫，卢 玉.特高压交流双回线路中单柱组合耐张换位塔应用[J].电力建设，2009，30（2）：22-24.