转角塔基础预偏研究

甘凤林，赵 甲，胡坤琪，成印建，陈 波

(1．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012;2．陕西省汉中供电公司，陕西 汉中723300)

转角塔在两侧导线、地线的张力以及风载作用下，合力方向为转角塔的内角方向，导致铁塔在内角侧会产生一定的挠曲，在新建的送电线路竣工验收和日常的运行检修中，经常发现转角塔结构倾斜超标。造成这种情况的原因除了铁塔自然、加工等因素外，绝大多数是由于预偏不当造成的，因为预偏值的研究一直是一个比较模糊的区域，所以有的施工单位干脆不考虑预偏，给架线后线路的正常运行留下了隐患。

架空输电线路设计规程中规定:“设计中应根据杆塔特点提出施工预偏要求，预偏数值应保证杆塔不向内侧倾斜，转角杆塔不向转角内侧倾斜”［1］、“在荷载的长期效应组合作用下，转角塔的计算挠曲度不超过塔高的7‰”［1］。为保证转角塔紧线后及将来的运行过程中不向内角侧倾斜［2］，在基础施工过程中就应该考虑转角塔向外角侧方向预倾斜的问题，但预倾斜多少才能既保证基础角钢与铁塔连接恰当，又使铁塔架线前向外角侧预倾斜合理，一直是施工技术人员多年来探索的问题。本文对此进行了研究。

1 有限元模型建立

选用刚桁架模型建立转角塔，以梁单元BEAM188模拟输电塔主材和主腹杆杆件，用杆单元LINK8模拟次腹杆杆件，梁单元围成铁塔模型的整个框架。对输电塔模型进行模态分析，各低阶阵型并无出挑现象，说明结构各杆件和节点连接完好，得到的模型的第一阶频率f1=2.09。设计规程给出的经验公式为

式中:H为杆塔高度，b为塔头宽度，B为根开宽度。计算得出f=2.131。由于规范自振周期公式是基于铁塔均布质量理论得出的，而ANSYS有限元模态计算时计入了横担质量，虽然两者计算结果不完全一致，但是后者更接近于现实情况。

2 荷载的施加

在长期效应组合下(无冰、风速5 m/s及年平均气温)进行输电塔结构分析时，应考虑自重、风荷载、导地线张力。风荷载和导地线张力以等效静载的形式作用在塔架模型上，塔架风荷载计算时按不同风压高度变化系数把塔架模型分为15段，将风载加载在杆塔主材节点上。将输电塔整体旋转就可以达到预偏的目的，设预偏值之后，倾斜的角度荷载换算成直角坐标系下的荷载进行加载。基础预偏值从5 mm开始，以5 mm为额度逐渐增加，每增加1次就整塔旋转1次，换算1次荷载，如图1、图2所示。

图1 未设预偏加载示意图

图2 设预偏加载示意图

3 固定转角度数的数据提取及分析

在3种工况中，选取最不利工况，且风从反受力侧超受力侧为例，经过多次反复计算之后，提取应力轴力位移等数据，

从架线前后杆塔和铅垂线位移图3可以看出，架线前基础预偏值为0～135 mm时，杆塔向反受力侧偏移幅度剧增，基础预偏值每增加1 mm，塔顶相对于铅垂线的位移就增加5.8 mm。架线后，随着基础预偏值的增加，杆塔相对架线前的变形越来越小，在0～135 mm范围内，变化幅度达18 mm，便于用重力平衡外力。

各方向节点位移如图4所示。图4也证明了这一点，此时也是节点的位移，X正向位移减小幅度达20 mm，Z方向负向位移减小幅度达10 mm，而Y方向不变，始终维持在7～8 mm。由应力变化图5可得，拉应力和压应力都随着预偏值的增加而减小，基础预偏值从0 mm增加到135 mm时，拉应力减小9%，压应力减小4%。

图3 架线前后杆塔和铅垂线位移

图4 各方向节点位移

图5 应力变化图

由基础预偏值和预偏率的变化图6可以看出，预偏率由基础预偏值0 mm时的－8.84‰到基础预偏值53 mm时的0，再到基础预偏值135 mm时的13.18‰。负值表示杆塔受力后向内侧(受力侧)偏，显然这是不允许的，正值刚好相反。根据杆塔设计规程的7‰为原则，合理的基础预偏值和杆塔预偏率的数据如表1所示。

图6 基础预偏值和预偏率的变化图

表1 合理的基础预偏值和杆塔预偏率数据

4 拟合曲线与最佳预偏值的确定

利用准牛顿法与通用全局优化法拟合出基础预偏值与架线前后塔顶位移的曲线，回归出函数的优点，架线前后可以对比，实测的和理想的有出入，可以用函数反算出调节多少基础预偏值。

基础预偏值与架线前塔顶与中垂线位移方程为

基础预偏值与架线后塔顶与中垂线位移方程为

最佳预偏值的确定原则:保留一定施工於度、杆件内力小、与中垂线的位移符合规范要求，保证架线前，预偏之后杆塔在自重条件下向外侧位移最小。

按照设计规范7‰的规定和验收规范不向内侧倾斜的要求，合理的基础预偏值与受力后相对于铅垂线之间的距离以及预偏率如表2所示。规范7‰是255.5 mm，但在架线前基础预偏值越大，杆塔所受的轴力就越大，如图7所示。从图7可以看出，这对架线前的杆塔来说是不利的;即便架线后预偏值越大，应力、轴力等在充分利用自重平衡外力的作用下都是变小的。另外考虑施工的於度和精度，让预偏率保证在2‰内是很难的，参照外国的2.08‰，建议基础最佳预偏值选择在70～75 mm，就能保证杆塔在架线挠曲后预偏率在2.56‰～3.37‰。与规范的7‰相比，要精确很多。

表2 合理的基础预偏值与受力后相对于铅垂线之间的距离以及预偏率

图7 转角度数与杆塔的变形图

5 固定基础预偏值、改变转角度数的数据提取及分析

在最佳基础预偏值70～75 mm内，以70 mm为例，对转角塔改变转角进行研究。改变转角意味着改变角度荷载，首先计算出不同转角度数的荷载值。

图8 转角度数与预偏率的关系

由转角度数与预偏率的关系图8可以看出:随转角度数增加，架线受力后塔顶位移增加;相对于铅垂线的位移也从－397.11 mm(也就是说预偏太大了)到 －93.77 mm，预偏率分别为 －10.87‰与－2.569‰，按照规范要求只有转角为20°～40°的杆塔基础预偏值设为70～75 mm时，完全符合7‰的要求。但是从本文来看，朝外侧倾斜的越多，杆塔的内力等都是减小的，是有利的。同时，在工程上－10‰左右的预偏率是可以接受的。

由各节点位移与转角度数的关系图9可以看出，随着转角度数的增加，X方向的位移与综合位移在转角4°之后同比例增大，Y方向位移先由正到负，再到正(向Y正向，再向Y负向，再到Y正向)，即在4°～30°，Y向位移为负，Z向位移逐渐变大。

图9 各节点位移与转角度数的关系

由转角度数与应力关系图10与转角度数与应力关系图11可得:在0°～26°，拉应力与受拉杆件的轴力几乎都维持在78 MPa，而在26°～40°，拉应力增加明显;在0°～40°，压应力一直增大，受压构件的轴力也一直增大。由转角度数与应力趋势图12和转角度数与轴力趋势图13看出:在0°～26°，转角度数每增加1°拉应力与受拉构件轴力的几乎不增加，在26°～40°之后，转角度数每增加1°拉应力增加10 MPa;在0°～40°，转角度数每增加1°压应力增加10 MPa。而轴力更不一样，0°～28°，受拉构件的轴力几乎不变，28°～40°，每增加 1°，受拉构件的轴力增加4 000 N左右;对于受压构件，0°～6°，每增加1°轴力增加2 500 N 左右，6°～40°，按照 34 000 N比率增加的。

图10 转角度数与应力关系图

图11 转角度数与应力关系

图12 转角度数与应力趋势

图13 转角度数与轴力趋势

6 结论

1)当西北地区常用的特种杆塔的最佳基础预偏值为65～95 mm时，建议最好调到70～75 mm，因为此时预偏率在2% ～3%，便于施工，杆塔更安全。

2)对于其他类型的杆塔，应按照经验公式计算出最佳预偏值，加上25%的施工於度，这样可以更好地与理论计算吻合。

3)可用拟合出的基础预偏值与架线前后塔顶位移的函数，在架线前后或者运行检修时可反算出基础预偏值和塔头位移的关系，以便调节。

［1］ 张殿生．电力工程高压送电线路设计手册［M］．北京:中国电力出版社，2003．

［2］ GBJ 233－90，110～500 kV架空线路施工及验收规范［S］．