小根开直线塔在特高压交流工程中的应用

肖 勤， 曾二贤

(中南电力设计院， 湖北 武汉 430071)

普通自立式铁塔的高度与根开之比(简称“高宽比”H/B)为4～6，城市供电常见窄基塔的H/B可达到10或更高[1～3]。对于特高压输电线路工程，采用窄基塔难于满足大荷载的要求，因此，笔者提出“特高压小根开铁塔”的概念，即在普通自立式铁塔的基础上缩小根开，使其高宽比H/B介于普通塔和窄基塔之间，以满足山区局部地形陡峭的立塔需要[4～7]。特高压小根开铁塔具有如下优势：(1)解决陡峭、狭窄山脊立塔困难的问题，避免改线而造成较大的费用变更；(2)减小征地、土石开挖方量，实现环保设计。

本文通过建立小根开直线塔ZBC2910Z的数值模型，对高宽比H/B进行优化分析，以寻找其合理的塔身坡度，并分析了铁塔优化布置后的受力特征，其中重点关注小根开铁塔变形和挠度的变化情况。其次，采用ANSYS软件建立三维数值模型，研究了其典型呼高的动力响应特征。最后，通过技术和经济比较论述了小根开铁塔运用于特高压工程的可行性。

1 杆塔优化设计

1.1 设计输入条件

选取某特高压交流工程的典型直线塔作为小根开铁塔ZBC2910Z的输入条件，设计原则借鉴淮南-上海、浙北-福州特高压交流线路工程。设计条件为：风速29 m/s，覆冰10 mm，海拔H<1000 m，导线8xLGJ-630/45，地线JLB20A-185，地线对外侧导线的保护角不大于-4°，长短腿设计。水平档距600 m，垂直档距800 m，计算呼高72 m[1]。

1.2 结构优化设计

本节优化研究也是基于满应力准则[8]，从合理确定塔腿坡度对铁塔进行整体优化，塔体在强度和稳定上作为主要控制条件，辅助以挠度、变形验算。其方法相对简单，具有较好的可操作性。

图1 塔身坡度与估算塔重的关系曲线

从图1可以看出，ZBC2910Z常规设计的经济坡度约为0.12～0.13，小根开铁塔ZBC2910Z的推荐坡度可取为0.07～0.08，其中角钢塔估重系数为1.55。如表1为不同坡度对应情况下呼高为72 m的小根开铁塔的计算结果分析表。

表1 ZBC2910Z-72计算分析

从表1可知，小根开铁塔根开可由常规设计的17.44 m缩减为13.76 m，减小约22%，对地形的适应性有较大提升。

1.3 扰度和变形验算

悬垂直线自立式杆塔的挠度限值不应超过3H/1000[9]，如表2给出了各根开铁塔在最不利荷载工况组合下的塔顶挠度。其中挠度计算对应工况为长期荷载效应组合(无冰、风速5 m/s及年平均气温)情况，不包括基础倾斜。

由表2可知，坡度为0.08时，塔顶挠度为72.28 mm，挠度较常规设计增大约5.5%，能满足要求，对应高宽比为5.78；坡度为0.07时，挠度增大约 20.4%，此时高宽比为6.20，已突破了普通自立式铁塔高宽比为4～6的范围[9,10]。

表2 ZBC2910Z-72塔顶挠度计算

注：铁塔全高H为79.55 m，挠度限值为239 mm。

表3给出了在基本风速为29m/s时的设计荷载作用下关键位置的位移情况。

表3 ZBC2910Z-72在设计荷载作用下最大位移值

由表3可知，与普通直线塔相比，当坡度设计为0.07时，塔顶水平Y向位移增大约14.3%。可见，小根开铁塔与普通塔相比，其抗弯和抗扭刚度削弱较厉害，导致的变形增大是需重点关注的环节，设计时应校验其在各种设计工况作用下的变形特征[1,11]。

2 动力特性研究

小根开铁塔具有柔度大、阻尼小等特点，是一种风敏感结构，风与结构的相互作用十分复杂。而我国规范对其抗风设计的相关参数尚不完善，这对设计提出了新的要求[10～16]。文献[11]给出了铁塔全高不超过60 m的调整系数取值。当全高超过60 m时，βz(风压调整系数)可按文献[15]取值。

该小根开直线塔全高79.55 m，塔身断面形状为正方形，角钢塔，单线图如图2所示。

图2 小根开直线塔ZBC2910Z单线图

定义沿横担方向为x向(横风向)，垂直横担方向为y向(顺风向)，高度方向为z向。

采用ANSYS软件对小根开铁塔ZBC2910Z进行建模，钢材弹性模量取2.06×1011N/m2，密度取7850 kg/m3，泊松比取0.3，利用分块Lanczos算法，获得了ZBC2910Z的前几阶动力特征。因为输电塔结构自振频率较为稀疏，因此重点考虑其前4阶频率，图3为结构的模态示意图，对应的计算结果如表4所示。

从表4和图3中可以得出，小根开铁塔ZBC2910Z-72的前3阶模态分别是x向一阶弯曲、y向一阶弯曲和一阶扭转振型，且x向与y向弯曲振型的频率非常接近，这与常规设计的基本规律一致。但是第3阶振型周期与前2阶较为接近，说明扭转振型对其影响较大，不可忽略。

图3 小根开直线塔ZBC2910Z-72的模态示意

模态小根开铁塔设计频率/Hz周期/s备注常规设计频率/Hz周期/s备注11.115 0.897 x向1阶弯曲1.1810.847y向1阶弯曲21.117 0.895 y向1阶弯曲1.1830.846x向1阶弯曲31.377 0.726 一阶扭转1.4070.711一阶扭转43.147 0.318 二阶弯曲2.5340.395二阶弯曲

对于低呼高的酒杯型小根开铁塔，其动力特征略有不同，具体计算结果如表5。

表5 呼高为45m时前4阶模态对比

从表5中可以看出，低呼高的酒杯型铁塔ZBC2910Z-45第1阶模态为一阶扭转，主要是由于塔头尺寸较大(本算例中塔头高33.55 m，塔窗26 m)，质量分布不均匀，造成塔身段对横担约束相对较弱，结构抗扭转刚度较弱。建议下一阶段开展真型试验研究酒杯型小根开铁塔的受力性能及可靠性。

3 技术经济比较

以小根开直线塔ZBC2910Z-72(呼高72 m)为例进行分析。小根开铁塔根开较常规铁塔根开缩减约22%，对特殊陡峭地形适应性更好。如表6为小根开铁塔和常规铁塔的经济比较结果。

表6 小根开铁塔ZBC2910Z-72与常规设计的造价对比

上表计算选取的典型地质条件为：破碎岩石，强风化，较破碎，无地下水位，天然重度为20 kN/m3，上覆松散土层厚300 mm，粘聚力50 kPa，内摩擦角为25°。组塔及运输单价按2000元/t。

从表6可知，采用小根开直线塔钢材量单基增加约4.8%～5.7%，基础材料费用增加约8%～14%，土地征用费上可节省约36%～44%。小根开直线塔造价较相同条件下常规设计的费用增加约2.6%～4.4%。

值得一提的是，上述对比结果未考虑土石方和铁塔降基值的影响。实际上，小根开铁塔对环境保护、水土保持和适应地形等方面具有明显优势，在增加可接受工程造价的前提下，建议小根开铁塔可在特高压工程中选择性应用。

4 结 论

(1)小根开直线塔ZBC2910Z的推荐坡度取值约为0.07，对应高宽比为6.2，与常规设计相比，其根开缩减约22%，对山区陡峭地形适应性更好。

(2)与常规设计相比，ZBC2910Z长期荷载效应的挠度值增大20.4%，设计荷载下塔顶位移增大约14.3%，设计时应重视铁塔挠度和设计变形的校验工作。

(3)扭转振型对酒杯型小根开铁塔影响较大，设计时不可忽略；低呼高酒杯型小根开铁塔动力特征与高呼高略有不同，前者以第1阶模态为一阶扭转，后者为一阶弯曲。

(4)小根开铁塔抗弯与抗扭刚度均有较大削弱，建议下一阶段开展真型试验加以深入研究。

[1] 中国电力工程顾问集团中南电力设计院.山区新型杆塔设计研究[R]. 武汉：中国电力工程顾问集团中南电力设计院, 2013.

[2] 李 赫. 论窄基塔在城区中的运用[J]．科技资讯，2009,(2):234-235.

[3] 曾 征. 110kV窄基钢管塔的设计研究[J]. 湖北电力，2012,36(4):68-70.

[4] 徐 华, 文习山，舒 翔，等. 特高压输电对环境的影响[J]. 湖北电力，2004,28(4):52-53.

[5] 罗 巍. 山区输电线路设计与环境保护[J]. 湖北电力，2005,29(s1):95-97.

[6] 陈 斌, 张建锋, 王 毅. 山区送电线路设计需要注意问题的思考[J]. 山东电力技术，2009,(1):74-77.

[7] 曾二贤, 陈 治,胡 星，等. 山区输电线路塔位边坡治理方法及技术经济分析[J]. 能源技术经济, 2010,22(10) :20-25.

[8] 杨 敬, 赵 峰, 易黎明. 窄基塔高度根开比优化的研究[J]. 工程建设与设计，2012,(11):140-142.

[9] DL/T 5154-2012，架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].

[10] 黄本才. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海: 同济大学出版社, 2001.

[11] GB 50665-2011，1000kV架空输电线路设计规范[S].

[12] Iannuzzi A, Spinelli P．Artificial wind generation and structural response[J]. Joumal of Structural Engineering， 1987, 113(12): 2382-2398.

[13] 潘 峰，陈稼苗, 聂建波, 等. 窄基塔随机风致振动响应及风振系数研究[J]. 科技通报，2013,29(1):86-92.

[14] 张相庭. 结构风压和风振计算[M]. 上海: 同济大学出版社, 1985.

[15] GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[16] 冯 炳. 小根开钢管塔的设计的关键问题研究[D]. 杭州：浙江大学, 2011.