中国与巴西输电塔及基础设计比较与分析

杨冠颖，徐震，孙宗德

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

中国与巴西输电塔及基础设计比较与分析

杨冠颖，徐震，孙宗德

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

介绍巴西输电塔及基础的设计特点，并从设计条件、铁塔外形、设计规范、基础型式等方面梳理分析巴西与中国杆塔及基础设计的差异及其原因，可为涉外输电工程的设计提供参考。

输电塔；铁塔基础；设计规范

0引言

近年来，随着巴西经济的迅速发展，巴西输电网逐步扩大，输电线路总长从2007年的8.9万km增至2011年的10.3万km。预计到2021年，巴西将新建168条线路，输电线路总长将增至15.05万km［1］。通过对比中国和巴西输电塔及基础材料量（表1）发现，指标差异较大。

表1 输电塔及基础材料量指标对比

1 杆塔设计

巴西杆塔设计规范以ASCE（美国土木工程师协会）规范为主，如ASCE No.52［3］、ASCE 10-97［4］等，其他还有IEC-826［5］、NBR 5422［6］等。

1.1 设计条件

1.1.1 风速

巴西规范定义的基本风速与中国规范一致，均指距离B级粗糙度地面高为10m、平均时距为10min、一定重现期的年平均最大风速［6］。只是重现期不同，巴西38～800 kV输电线路风荷载重现期均为50年，中国规范规定750 kV和500 kV重现期为50年，330 kV及以下重现期为30年［7］。不同风速对应不同的基准风压标准值，其公式为

式中：W0为基准风压标准值，kN／m2；V为基准高度为10 m的风速，m／s。

1.1.2 覆冰

巴西除北部高原的局部地区外，线路均无覆冰影响，中国则多地冬季有10～15 mm覆冰。中国现有规程中主要有3种与覆冰相关的计算工况：正常覆冰、覆冰断线、不均匀覆冰。对于悬垂型塔，覆冰主要是影响其斜材和辅助材的选材，一般不影响主材。根据计算，无覆冰与10mm覆冰相比，在其他条件相同的前提下，塔重轻约5%；对于耐张型塔，覆冰可影响主材的选材，无覆冰与10 mm覆冰相比，塔重轻约10%。

无覆冰条件下，相邻导地线无需水平偏移，横担长度可缩短，塔重也相应降低。

1.1.3 导线型号

巴西导线截面积使用欧洲标准MCM（即millecircle mil），1MCM＝0.5067mm2。对比巴西4×954MCM型导线与中国4×LGJ-500／45型钢芯铝绞线，见表2。

表2 导线参数对比

根据导线水平风荷载标准值的计算公式

式中：Wx为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值，kN；α为风压不均匀系数；μz为风压高度变化系数；μsc为导线或地线的体型系数；βc为导线及地线风荷载调整系数；d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径，m；Lp为杆塔的水平档距，m；B1为导、地线及绝缘子串覆冰风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，（°）。

相同条件下，954 MCM导线所受风荷载标准值为LGJ-500／45导线的98.6%。

1.1.4 地线型号

地线型号巴西与中国差别不大，对塔重无明显影响。

1.2 铁塔外形尺寸

1.2.1 导线布置

中国500 kV双回路塔（如图1）常规为导线垂直鼓型排列、三层横担（主要是考虑节约走廊）；巴西500 kV双回路塔（如图2）尤其拉线塔多为导线三角形排列、两层横担，在相同呼高条件下铁塔全高较小，塔重相对较轻。经对比，相同条件下，两层横担构造比三层横担构造塔重轻3%～8%。

1.2.2 绝缘子串长度

巴西污秽等级较低，一般相当于中国标准的I级或Ⅱ级，故所用绝缘子串长度较小，相应风偏较小，从而可缩短横担长度、缩小横担垂直距离，有效降低塔重。经计算对双回路塔重可减轻约10%。巴西双回路悬垂型塔绝缘子串一般采用三相V型串布置，相对于I型串布置，塔头尺寸较小，可有效降低塔重。

图1 中国500 kV双回路塔

图2 巴西500 kV双回路塔

1.2.3 塔身横截面形状

巴西输电线路一般无覆冰，不存在不均匀覆冰受弯及扭转工况，顺线路方向的荷载较小，所以顺线路方向塔身截面尺寸较小，即塔身横截面为长方形，从而减小了构件长度，节省了塔材用量。

1.2.4 塔身坡度

经现场考察调研可知，巴西铁塔占地面积通常较大，塔身坡度较缓。中国建设输电线路时只征用塔基的占地面积，为减少征地面积而将塔身坡度设计得较陡。以相近使用条件下500 kV双回路直线塔39 m呼高为例，中国的铁塔塔身坡度为85°～88°，而巴西为80°（正面）、83°（侧面）；国内塔正侧面根开均为11.0 m，巴西塔正面根开为15.4 m，侧面根开为11.0 m。

塔身坡度较缓有利于降低塔身主材受力，减小主材规格，但塔身斜材长度增加。塔身坡度与塔重成抛物线关系，存在一个最优塔身坡度，对应一个最小塔重。中国在计算最优塔身坡度时受征地面积限制，而巴西可不考虑此限制。

1.3 材料性能

巴西杆塔材料执行ASTM（美国测试与材料协会）标准［8］和ISO标准。角钢执行ASTM A36和ASTM A572（Gr50及Gr60），螺栓执行ISO898-1。其中，ASTM A36属于普通碳素钢，ASTM A572属于高强度低合金结构钢。各主要设计参数对比见表3。

1.4 设计规范

巴西杆塔设计主要依照ASCE标准，不考虑构件的材料缺陷。由于制造工业所限，中国杆塔规范还考虑了化学成分、尺寸、制造误差等非设计因素，使得中国杆塔构件规格较大，连接板、螺栓较多，重量较重［9］。按ASCE标准计算比按国内规范计算，相同条件下，铁塔重量可减轻5%以上。

表3 钢材强度对比N／mm2

1.5 拉线塔的应用

经现场考察调研，巴西线路工程中拉线塔（如图3）应用较多，平地地形条件下，单回线路拉线塔比例一般为80%左右，在双回线路中因考虑安全等因素拉线塔采用比例较低。中国在《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中明确表示：“220 kV及以上新建线路在农田、繁华地段不宜采用拉线塔。”因此近年来国内220 kV及以上新建线路已基本不用拉线塔。经计算分析，拉线塔塔重约为相同条件下自立塔的70%左右。

1.6 杆塔设计软件

巴西主要是使用输电杆塔设计软件“TOWER”，该软件可以引用ASCE、CENELEC、ECCS等多种标准，采用有限元法进行分析计算，可进行几何非线性分析，可检测塔材的三维碰撞等。此外，某些铁塔计算还使用计算机程序“AETOR”，其适用于位移法的空间格构的计算。国内软件与“TOWER”软件的相关功能和水平相似。

图3 巴西500 kV双回路悬垂型塔（拉线式）

2 基础设计

巴西杆塔基础设计执行ABNT（巴西技术标准协会）标准，主要有NBR6122［10］、NBR6118［11］等。

铁塔基础按施工工艺可分为开挖式基础、掏挖式基础、钻孔灌注桩基础等基础型式。相同条件下，按国内规范设计的斜柱板式、直柱板式等开挖式基础的材料量与巴西相近。

2.1 基础型式的选择

斜柱板式、直柱板式等开挖式基础的设计及施工经验成熟，中国应用较多；而巴西多采用掏挖式、桩式等原状土基础，如图4。此类基础开挖量很小，环保性好，材料量一般也较少。巴西500 kV线路常用的基础类型如表4所示。

表4 巴西500 kV线路常用基础类型

2.2 铁塔与基础的连接方式

巴西铁塔一般采用插入角钢与基础连接，基础也多为斜柱式，插入角钢坡度与铁塔主材坡度一致，受力较好；在中国考虑施工难度及事故后能够及时修复等因素，耐张型等重要杆塔采用直柱地脚螺栓方式连接。

图4 巴西原状土基础

2.3 铁塔的因素

相同导地线荷载条件下，铁塔塔重变化对基础作用力影响较小。而铁塔根开变化对基础作用力影响明显，二者基本成反比关系。例如前述铁塔根开由11.0 m增大为15.4 m，则基础作用力可减小至原来的约71%，从而基础材料量可减小至原来的约87%。

另外拉线塔的使用也使线路基础材料量降低，经分析比较，拉线塔基础材料量仅为相同条件自立塔的1／4左右。

2.4 设计规范及计算方法

2.4.1 基础附加分项系数

按巴西规范直线塔基础计算时基础附加分项系数取1.1，30°转角塔基础取1.15，30°以上转角塔基础取1.2；中国规范取值分别为1.1、1.6、1.6，从而30°和30°以上转角塔基础的最小抗拔力比巴西分别大39%、33%，即按中国规范基础设计尺寸较大。经计算，按巴西标准计算30°及以上转角塔基础材料量可节省15%左右。

2.4.2 基础底面压力

巴西规范未考虑永久荷载分项系数，中国规范则使用了永久荷载分项系数，使基础更为安全；对于原状土基础，巴西规范未考虑基础上部的土重，中国规范则计入了基础上部的土重，对于基础计算也更为安全。经计算，按巴西标准计算基础材料量可节省5%左右。

2.5 材料性能

基础常用混凝土和钢筋的参数对比见表5（中国以C20级混凝土和HRB335钢筋为例）。

表5 基础材料参数对比

表中阻力缓解系数即材料标准值与设计值的比值。

从表中可看出：混凝土抗压强度设计值巴西比中国高11.6%；钢筋屈服强度设计值巴西比中国高42.0%；混凝土密度巴西比中国高11.4%。在计算基础时巴西材料有明显优势。经计算，按巴西材料参数计算比按国内能节省混凝土3%左右，节省钢筋5%～10%。

巴西基础常用混凝土的强度性能与国内C25或C30级混凝土相近。基础尺寸主要取决于基础作用力、土体对基础的作用等，混凝土强度对基础材料量影响不大，但对基础的耐久性、耐腐蚀性等方面有较大影响。

2.6 基础埋深

经考察，巴西基础埋深较大，开挖式基础埋深一般为底板边长的1.2～1.3倍。加大基础埋深减小基础底板的做法，可有效节省混凝土用量。

3 结语

介绍了巴西输电塔及基础的设计特点，并分析了巴西与中国设计差异的原因。

随着近年来国家电网公司成功进入巴西电力市场，我国与巴西的电力技术交流也日益频繁，因此，对巴西输电塔及基础的研究对于两国的电力技术交流以及中国企业开拓巴西电力市场都具有积极意义。

目前，国内对巴西输电塔及基础设计的研究尚少，而进行巴西电网工程的设计更是处于刚起步阶段。随着对相关规范的深入消化以及对巴西输电塔及基础设计特点的进一步掌握，相关设计能力将会不断提升。

［1］周志伟.巴西电力发展现状及中巴电力合作分析［J］.中国电力企业管理（综合），2013（6）：24-27.

［2］刘振亚.国家电网公司输变电工程通用造价：500 kV输电线路分册（2010年版）［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［3］ASCE No.52Guide for Design of Steel Transmission Towers［S］.

［4］ASCE 10-97Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.

［5］IEC-826Loading and strenght of overhead transmission lines［S］.

［6］NBR 5422Projeto de linhas aéreas de transmiss o de energia elétrica［S］.

［7］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空输电线路设计规范［S］.

［8］ASTM：A572／A572MStandard Specification for High Strength Low Alloy Columbium-Vanadium Structural Steel［S］.

［9］郭日彩.美国输电线路典型设计概况及对我国电网工程设计建设的启示［J］.电网技术，2007，31（12）：33-41.

［10］NBR 6122Projeto e execuco de fundaces［S］.

［11］NBR 6118Projeto de estruturas de concreto-Procedimento［S］.

Comparison and Analysis of Transmission Towers and Foundation between China and Brazil

YANG Guanying，XU Zhen，SUN Zongde
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.，Ltd.，Jinan 250013，China）

An introduction is given on transmission towers and foundation in Brazil.Differences and reasons of transmission towers and foundation between China and Brazil are analyzed，including design condition，tower outline，design code，foundation type and so on.The contents can be used as a reference for the design of overseas transmission line engineering.

transmission tower；tower foundation；design code

TM753

B

1007-9904（2015）08-0060-04

2015-04-02

杨冠颖（1981），男，工程师，主要从事输电线路结构设计与研究工作；

徐震（1981），男，工程师，主要从事输电线路结构设计与研究工作；

孙宗德（1970），男，高级工程师，主要从事输电线路结构设计与研究工作。