110 kV窄基钢管塔的研究设计

2010-08-09罗玉鹤

电力建设 2010年8期

罗玉鹤

（宁波市电力设计院，浙江省宁波市，315021）

0 引言

窄基塔不仅节约土地资源，减小线路走廊宽度，节省青苗赔偿，而且与普通铁塔一样，具有加工、运输、组装、维护方便等特点。相对普通铁塔更能与城市景观相协调，主要应用在城区及部分走廊受限的架空输电线路[1-12]。

窄基塔的根开小造成主材内力大，主材规格较大。转角塔主材采用角钢时，单角钢一般无法满足受力要求，而采用组合角钢经济性差。由于钢管具有回转半径大、构件力学特性好等优点，在铁塔设计时可以简化塔身结构布置，减少辅助材数量。因此，推荐窄基塔以钢管作为主材，主材之间采用法兰连接，其他部件采用角钢。

1 窄基钢管塔设计

1.1 设计条件

本次窄基钢管塔按同塔双回设计，离地10 m高度最大基本风速为33 m/s，覆冰厚度为5 mm，导线型号LGJ-300/40，地线型号JLB1A-95。为满足线路路径位于道路条状绿化带走廊的要求，最大呼高铁塔根开布置3～3.5 m。另外，为满足平地线路300 m档距的架设要求，综合考虑塔型钢材指标、基础的合理性和经济性，设计中导线安全系数取4.0，最大使用应力为64.6 MPa，地线安全系数取5.0，最大使用应力为212.4 MPa。

1.2 塔型规划

本次规划了9种窄基钢管塔型，其中直线塔3种，悬垂转角塔1种，转角塔4种，终端塔1种。直线塔按2塔系设计，并设计高跨塔型；转角塔根据转角大小按4塔系设计，单独设计终端塔型，转角40°以上转角塔按长短横担设计。塔型设计参数见表1。

鉴于窄基塔一般用于城区，跨越物较多且走廊一般受到限制，应尽量限制其风偏，因此，在塔型规划中，规划了一种V型串直线塔型。直线塔采用V型绝缘子串挂线方式，是有效节约线路走廊宽度的一种方式，相对110 kV同塔双回路可节约走廊宽度约3.5 m。设计中，V串双肢的夹角度数的一半可较最大风偏角小5～10°，本次设计V串夹角取96°。

表1 110 kV窄基钢管塔设计参数Tab.1 The design parameters of 110 kV narrow-base steel pipe tower

另外，考虑到城区道路转弯时一般采用大转弯半径，线路沿其架设时，10°以下小转角较多，因此规划了一种悬垂转角塔，转角角度3～10°。悬垂转角塔型较常规的小转角塔型具有安装方便、造价小等优点，其塔头结构相对复杂，设计难度相对较大，但较小转角塔型可节约钢材约12%，节省金具及绝缘子费用，且安装方便，经济效益明显。

在绝缘设计方面，以“绝缘到位，留有裕度”为设计原则，空气间隙按照规范要求取值，并根据间隙圆确定窄基塔的塔头尺寸。为了增加杆塔的防雷性能，所有塔型按零保护角设计，双回路采用平衡高绝缘设计。

所设计的窄基钢管塔塔型单线图如图1所示。

1.3 塔身风振系数的确定

根据DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》，在计算输电杆塔塔身风荷载时采用风振系数来考虑脉动风所引起的风振影响，当全塔高度不超过60 m时，按规范提供的表格取值，同时规范也规定适用条件为铁塔高度与根开之比为4～6。然而窄基塔的高度根开之比一般都大于10，按规定取值显然有较大误差，因此如何确定塔身风振系数成为窄基塔设计中的难点。

根据GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》，结构在z高度处的风振系数βZ可按式（1）计算：

式中：ξ为脉动增大系数；v为脉动影响系数；φz为振型系数；μz为风压高度变化系数。其中脉动增大系数根据ω0T12确定，T1为结构的第1自振周期，而规范仅提供结构基本自振的经验公式为T1=（0.007～0.013）H。该自振周期经验公式仅与结构的高度H有关，而与结构的宽度无关且系数的范围较广，显然对窄基钢管塔的自振周期未能准确计算。因此有必要对窄基塔进行动力特性分析，从而确定塔身风振系数。

通过MIDAS有限元软件，建立窄基塔有限元模型，可以准确地计算结构各种模态下的自振周期，同时又采用ANSYS软件进行对比分析，得到很好的吻合。计算按照梁杆混合模型进行分析，不考虑塔线耦合，采用子空间迭代法计算得到窄基钢管塔的第1自振周期T1见表2。

表2 窄基钢管塔第1自振周期Tab.2 The first self-vibration period(T1)of narrow-base steel pipe tower

由表2可得，直线塔型的自振周期达到经验公式的上限，若塔头较为复杂，如V型串塔头、异型塔头等，其自振周期大于经验公式的上限值；转角塔型的自振周期分布在经验公式上下限取值范围内，且对应系数均大于0.01。

通过表2计算得到的第1自振周期，按照GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》中的相关要求取值，通过公式（1）即可分段计算窄基塔的风振系数βZ。

1.4 荷载工况

窄基钢管塔的荷载按照GB 50545—2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》的要求进行计算，并按规范要求进行工况组合。在组合113DB-SZZ1V、113DB-SZZ1J塔型计算工况时，为便于安装，在V型串的正上方导线横担处设置吊装孔，并考虑吊装荷载工况。

1.5 窄基塔刚度分析

窄基塔相对常规铁塔，塔身细小，整体刚度低，塔顶位移相对较大。在同样作用力下，当结构的刚度增大时，节点位移减小，自振周期减小，频率增大，这一点符合前面所得的自振周期规律。为了避免过大的位移引起局部刚度重新分配，造成计算模型与实际不符，需要采取提高结构刚度的措施。在设计中应进行位移计算，使得塔顶的最大位移控制在规定的范围内，采取合理的隔面布置可以适当提高结构的刚度。

根据规范，在荷载的长期效应组合（无覆冰、风速5 m/s及年平均气温）作用下，直线塔的塔顶位移不超过0.003H，转角塔的塔顶位移不超过0.007H，其中H为杆塔全高。设计中，采用有限元软件进行窄基钢管塔的位移分析，在长期荷载作用下，所有塔型的塔顶位移均在规范要求的范围内；在最大荷载工况下，塔顶位移均在0.015H以内。

2 窄基钢管塔基础设计

窄基塔的基础设计，特别是在软土地基地区，决定了窄基塔能否得到推广应用。在窄基塔设计时，应当对不同导、地线安全系数下的基础作用力进行对比，计算相应的基础大小并作对比，按基础占地小、经济合理的要求选择导地线安全系数。由于窄基塔的根开较小，各塔基础作用力普遍较大，一般采用联合大平板基础；在软土地基的地区，需考虑联合大平板加灌注桩基础，以满足联合基础的抗倾覆要求。联合基础设计需利用铁塔传递给基础的弯矩，因此需计算各个工况下基础作用力的最大弯矩。

在本次设计中，直线塔113DB-SZZ1的基础作用力最小，终端塔113DB-SJZD的基础作用力最大。直线塔113DB-SZZ1-30在60°大风工况下，终端塔113DB-SJZD-30在90°转角、大风工况下根据满应力计算得到的基础作用力见表3。

表3 窄基钢管塔基础作用力Tab.3 The base force of narrow-based steel pipe tower

根据上述基础作用力，计算同一工况下，塔腿基础作用力传递到基础底面的倾覆弯矩。在软土地基条件下，直线塔采用普通联合基础，底板宽度约4.5 m可满足倾覆稳定要求；终端塔采用联合基础下加灌注桩基础，底板宽度约7.5 m，9桩φ800 mm灌注桩，桩长约20 m可满足倾覆稳定要求。

另外，窄基钢管塔通过法兰与基础连接。在塔脚法兰设计时，为了便于基础施工，需要控制地脚螺栓数量在12个以内，并考虑相邻螺栓间距不小于4倍的螺栓直径。

3 窄基钢管塔经济性分析

3.1 窄基钢管塔与常规铁塔经济性对比

选取相同气象条件、导地线型号下的窄基钢管铁塔和常规铁塔（塔型SZR31和SJR33），比较2种输电塔在呼高24 m、30 m的塔质量及根开，对比结果如表4所示。

表4 窄基钢管塔与常规铁塔经济性对比Tab.4 Economic comparison of narrow-base steel pipe tower and normal steel tower

经过对多种塔型统计，窄基钢管直线塔的塔重较常规铁塔重4%～6%，转角塔较常规铁塔重10%～13%；窄基钢管铁塔根开仅为常规铁塔的30%～50%，在征地费、青苗赔偿方面具有较大优势。在平地受地形条件限制，线路一般的平均档距在250～300 m，因此窄基钢管塔的布点基本上与常规铁塔相同，但基础造价相对较高。考虑铁塔钢材和基础材料增大等因素，在软土地基的沿海地区，窄基钢管塔线路的本体造价较常规铁塔线路增加15%～20%。但是由于城市土地十分宝贵，综合考虑各项政策处理费用，窄基钢管塔线路总体的经济效益应好于常规铁塔线路。另一方面，窄基钢管塔的社会效益优势更为明显。

3.2 窄基钢管塔与钢管杆经济性对比

同样，选取在相同气象条件、导地线型号下的窄基钢管塔和钢管杆（塔型GSZ1和GSJ60）），比较2种输电塔在呼高24 m、30 m的塔质量和根开，结果如表5所示。

表5 窄基钢管塔与钢管杆经济性对比Tab.5 Economic comparison of narrow-base steel pipe tower and steel pipe pole

经过对多种塔型统计，窄基钢管直线塔的塔重较钢管杆重25%～35%，转角塔较钢管杆重6%～15%；铁塔根开为钢管杆根径的1.5～2倍。但钢管杆的使用档距一般在150 m以内，窄基钢管塔的档距为钢管杆的2倍，因此窄基钢管塔的布点数量为钢管杆的一半。综合各方面因素，在东南沿海地区，窄基钢管塔线路的本体造价较钢管杆线路减少20%～30%。