送电线路铁塔机构优化的设计

杨新

【摘 要】在用电缺口逐年增大的压力之下，我国的电力工业也在不断发展。在电力工业的发展过程中，送电线路成了重中之重，一条配电线路可能只关乎数百户居民用电，但是一条送电线路却关乎成千上万甚至一整座城市的供配电。

【关键词】送电线路；铁塔机构优化设计；电力工业；电力系统；输电线路

0.引导语

我国目前的绝大多数地区均以铁塔托举的形式送电，送电线路与终端的供配电线路不同的是，越是上游的送电线路，一旦出现问题影响的用电人群数量就越大，造成的社会影响也就更为恶劣。所以在设计时针对送电铁塔进行优化设计以保障送电线路的安全对于电力企业与设计人员同样重要。我国电力工业的发展较为迅猛，但是与我国的国民经济的发展相比，仍然无法匹配，这就造成了用电的需求远远要超过供电的能力。在这种情况下提高、保障送电线路就成了设计之中的关键性问题。送电线路赖以支撑的铁塔是送电线路之中较为关键的一环，送电线路的铁塔不仅起到支撑送电线路的作用而且还起到了连通送配电环节的枢纽与节点作用。对送电铁塔的研究，国内的专业文献绝大多数集中在风荷载、雪覆荷载、基底稳固度等的研究范围。在实际设计工作中，铁塔的连接的滑移与节点弹性也是研究的重点，荷载位移曲线的变化等也是影响送电线路铁塔的重要因素。此外，铁塔的上拨力测试与各种水平力组合作用等现场实验也为铁塔的设计工作带来了许多新的思路与创意。由于电力系统中铁塔的较大规模的使用，所以建立铁塔的力学模型以便后续的铁塔工程实践过程中不仅可以做为计算的基础，以加快铁塔的施工设计十分有益，而且对于进一步优化铁塔的设计意义重大。我国沿海地区经常会出现台风天气，在这种极端天气的影响之下，风荷载实验基础之上的铁塔模型的建立就十分必要，在风荷载条件下控制铁塔的主要因素就包括了塔身的坡度与朝向、铁塔的主要材质选择、铁塔的斜材的布设、铁塔的交叉点的连接设计，铁塔的塔脚的布计等方面的问题。目前我国的绝大多数地区的电力系统的铁塔的架设无论是其基础还是塔架部分都已经实现了模块式吊装结构，也就是说其基底的混凝土工程已经实现了预制化，部分铁塔也已经按照相应的部分组装在一下，只要在施工现场进行吊装就可以完成铁塔的装配施工过程。这样的设计对于优化施工工序，加快施工过程起到了极大的作用。不仅降少了对当地的环境的污染与影响提高了社会效益也同时极大地提高了电力系统的工作效率与经济效益。在设计过程中也可以按照不同的风速区域设计不同的铁塔力学模型，按照不同的标准为不同的电力系统风速区域提供不同的铁塔构件。这样不仅保证了不同地区的铁塔的安全性也同时兼顾了电力系统的经济性原则。由于铁塔采用的是角钢、钢管的结构，其连接完全采用高强度螺栓，一理螺栓出现问题，则极有可能造成整座铁塔的解体。所以对其螺栓连接节点的分析就可以对其整体的性能得到基本的验证。对螺栓连接机构可以采取荷载之下的滑移实验与荷载之下的位移实验，观察在受力情况下的节点的破坏情况根据实验形成滑移、位移曲线。并且根据力学原理，据此还可以推导出各钢构件的轴向刚度值。在此基础之上可以采用模糊统计法、例证法、专家经验分析法、二元对比排序法、系统相关性分析法、回归分析法等确定模糊数学中的隶属度函数研究铁塔的结构与其中的任意一个节点之间的关系。铁塔的机构优化不仅关系到铁塔的基底与其地上的部分，还与地下的水文地质条件息息相关，铁塔的优化设计要在了解地下的水文地质条件的基础之上进行，依据地下情况对铁塔的体系结构，水平坡度、线性应力、弧型悬垂、铁塔钢构件内力反应、基座反作用力以及塔顶相对塔基的结构误差性综合性位移等因素进行综合研究与考量。然后就可以逐步建立铁塔标准化体系的三维建模，在建立的三维模型上对应有限元模型加以系统性研究，就可以找到地下地质状况、负荷载、雪覆荷载、上拨力等对铁塔体系共同作用下的机理。根据上述的研究结果配合工作线路的走向与环境因素就可以对铁塔进行优化设计与布置实施。

1.在铁塔计算的处理方面的优化

角钢式铁塔的论证过程较为繁琐，在从论证进入到实际的设计过程更是如此，一座看似简单的铁塔，往往需要设计人员花费数月的时间，主要是其中的复杂的关系的运算与各模型的匹配相关分析工作极为艰巨。虽然许多软件公司生产设计出了一些软件，但是在实际设计工作中，这些软件的自由度与灵活度不够不能完全支撑起整个铁塔的复杂的力学结构模型，因此在实际工作中还是需要手工进行分析与计算。一个好的设计人员不仅要关注铁塔的力学模型，还要在塔头的设计中注意其防污、防风、防雷的必要的三防措施，还要考虑电压负荷与绝缘配置问题等。

档距的分配直线塔挂双绝缘子串时，前后垂直荷载按4：6分配；耐张塔前后挂点垂直、水平荷载按照3：7分配。我们搭建转角塔是为了避免安装工况控制塔材及基础作用力的作用，档距的一侧代表档距取300m，另一侧代表档距取500m。

风荷载调整系数βz的取值对于2-3型直线塔，当全高超过60m时，风荷载调整系数应分段计算，但加权平均值应不低于1.6。

塔身正侧面风压增大系数的影响通过计算是众多周知的，由于大风区转角塔的选材主要由导、地线的张力及断线张力控制，因此塔身正侧面风压影响较小。而选材相对于导、地线的型号的影响甚小。若塔身正侧面风压取得过大，塔材显得不经济，取得过小又不安全。在用道亨软件计算的过程中，正面风压增大系数（Fa），侧面风压增大系数（Fb）均未考虑补助。材、节点板、螺栓的面积，如何计算与估算补助材、节点板等在不同塔身节问的挡风面积将对沿海大风区直线塔的计算有重要的意义。

2.塔身坡度的优化

塔身坡度对铁塔重量有至关重要的影响，因为它将直接影响主材规格、斜材的布置形式、基础作用力等的经济指标。合理的塔身坡度会使主材受力更加充分且均匀。如：本工程新设计的铁塔（SJ332A-36）为保证铁塔具有足够的刚度，在塔建的过程中，还应确定适当的变坡开口尺寸。

3.塔身斜材布置的优化

我们在布置斜材时，都是参照对主材最优计算而得到的长度来进行，致使其充分受力。本工程的直线塔，分为塔身上部，中部及下部，塔身上部斜材采用的小交叉式节问控制在1.2-1.3m，塔身中、下部的大交叉式节问控制在1.4-1.5m是适宜的。转角塔因荷载较大且为防止斜材同时受压的情况发生，塔身第一节问斜材采用倒K结构，然后由上至下依次采用3等分、4等分大交叉式节问进行布材，而节问高度随主材的变化控制在1.3-1.6m。

一组高低腿中最高腿的高度与铁塔全根开的比值控制在0.8-0.9是比较合适。依据上述原则，结合本工程初设阶段的报告，该地区主要以丘陵为地貌，地面高程50.0～250m，相对高差20～220m，山坡坡度，自然坡度20°～35°，山体自然稳定。因本工程主材采用Q420材质，铁塔根开得到了很大的改善，所以每一组高低腿最小级差设为1m，且最高腿与最低腿的坡度控制在28°-35°间，可以有效地减小塔基开挖面。

4.结束语

送电线路铁塔的连接滑移和节点弹性，均被认为是影响送电线路铁塔受力特性的主要因素。随着地下资源和空间的开发利用呼声的高涨，开展采动区铁塔力学计算模型与塔一线体系两者共同作用机理方面的研究，对上部结构的安全性和地下以及空间资源的可用性都有着极其重要的意义。 [科]

【参考文献】

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