架空输电线路杆塔结构优化设计

摘要：架空输电线路杆塔结构的设计质量与电网线路的经济性、可靠性存在着较为密切的联系，更会对电网的安全运行造成较大的影响。架空输电线路杆塔结构要基于不同的海拔高度来进行设计，主要原因在于杆塔的电气间隙会受到海拔高度的影响，从而会对杆塔的耗钢量造成较为严重的影响。文章首先分析了架空输电线路杆塔设计面临的主要问题，其次就架空输电线路杆塔结构的优化设计方法进行了探讨，具有一定的参考价值。

关键词：架空输电线路；杆塔结构；优化设计；电网；电气间隙 文献标识码：A

中图分类号：TM753 文章编号：1009-2374（2015）01-0036-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0018

1 架空输电线路杆塔设计面临的主要问题

1.1 杆塔结构型式的选择

在对架空输电线路杆塔结构型式进行选择时，应对其经济效益进行充分考虑。通常来说，拉线塔是目前被国内外公认最具有经济效益的架空输电线路杆塔结构型式，但是拉线塔不适用于山区，多采用自立式铁塔代替。我国目前多以拉线塔为主要的杆塔结构型式，以自立式铁塔为辅。拉线塔具有多种形式：一是绝缘支持式杆塔，但其成本投入较大、制造难度较高，应用较少；二是拉线-拉索杆塔，其最大的优点在于能够紧凑线路、有效缩小相间距离，特别适合用于特高压线路工程，最早用于美国、加拿大等国家，但其缺点就在于杆塔的占地面积较宽；三是拉V塔，广泛应用于超高压线路中。而常规自立式铁塔也分为双回供架铁塔、单回线路自立式铁塔两大类，但由于机械强度很高，故很容易出现故障。

1.2 杆塔强度问题

杆塔强度通常会受到杆塔制造材料、受力形式及结构形式等多种因素影响。为了能够让输电线路持续、稳定、正常地给广大用户供电，那么杆塔的强度和刚度也必须满足相关要求。我国输电线路多采用环形截面混凝土构件，主要原因在于环形截面混凝土构件的施工质量优良、用料节约、混凝土强度较高。值得注意的是，务必要先进行钢筋张拉处理，而后再浇注预应力构件，这样能够延长杆塔的稳定性和使用寿命。

2 架空输电线路杆塔结构的优化设计方法

第一，架空输电线路杆塔结构要基于不同的海拔高度来进行设计，主要原因在于杆塔的电气间隙会受到海拔高度的影响，从而会对杆塔的耗钢量造成较为严重的影响。同时，要对直线铁塔的挂线方式进行优化，将塔头尺寸尽量减小。基于传统设计经验来看，中相V串悬挂方式适用于超高压直线塔，能够通过减小塔窗尺寸来降低铁塔耗钢量。值得注意的是，要基于不同的气象条件、不同的塔型、不同的导线来合理选择是否采用边相V串悬挂方式。

第二，要对杆塔曲臂K节点形式进行优化，单回路杆塔多采用直曲臂形式，构造简单、K节点受力好、曲臂主材受力简洁，但塔头尺寸较大、塔重较重，针对这种情况，可采用弯折曲臂形式，这样就能够减小塔头尺寸，使塔重变得更加经济、合理。

第三，对塔身坡度和塔根开尺寸进行优化，塔身坡度和塔根开尺寸会对塔身斜材、主材的规格造成直接影响，也会影响到杆塔的美观度及重量。合理的塔身坡度可以让塔材受力均匀，也能够让材料规格的变化与塔材应力分布的变化相协调。最佳的坡度和根开可以整基铁塔的重量为目标函数，对基础作用力和构件受力性能进行综合考虑来最终选取。

第四，优化斜材布置原则：（1）为了让腹杆受力变得更合理，可将腹杆的水平角控制在35°～45°之间；（2）为了防止腹杆出现同时受压的情况，可在隔面处设置K形腹杆，或对塔身隔面间交叉腹杆数量进行优化；（3）务必要使斜材布置简洁、传力路线清晰、塔身布材均匀协调，以便能够合理分配主、斜材受力情况；（4）对斜材的坡度、长度进行优化，比较最小轴、平行轴等多种布置方案，筛选小交叉、大交叉，以便能够最大限度地降低塔重。

第五，对节点构造进行优化，节点构造是架空输电线路杆塔结构优化设计的主要环节之一，若不能合理构造节点就有可能会造成架空输电线路杆塔破坏。通过优化节点构造设计，应该尽量使计算模式与实际塔型相互统一，并在满足构造要求的前提下将节点尽量简化，这样既能够降低塔重，又可以防止出现次应力。节点构造设计主要遵循下列原则：（1）为了减小杆件断面损失，应该要尽量避免出现两面连接杆件对孔布置的情况；（2）要尽量防止出现节点板受弯、杆件偏心连接的情况；（3）要尽量节点板面积，要紧凑式地连接节点；（4）为了降低杆塔重量，应该要减少包角钢连接数量；（5）应该多用多排螺栓来布置斜材、主材；（6）全方位长短腿设计适用于山区架空输电线路杆塔，不仅能够较好地保护自然环境，而且还能够降低施工难度、缩短工期、减少土石方工程量。

第六，架空输电线路杆塔可以采用圆截面钢管，不仅能够提高结构的稳定性、减小杆件长度，还能够减小塔身风载荷，主要由于圆截面钢管的截面抗弯刚度大、受力各向同性、空气动力学性能好。圆截面钢管尤其适合用于杆件较长、几何尺寸较大的大型架空输电线路

杆塔。

第七，塔头坡度的优化。对于头部塔身而言，为了保证刚度要求和上下主材匹配，在规划的过程中坡度务必要合适。但除了规划头部塔身外，还应该考虑头部连接、头部横担主材与塔身主材之间的相互协调等问题。从目前来看，常用的两种模式分别是梯形塔身模式和直塔身模式。梯形塔身模式抗扭能力强，能够较好地对其进行协调，同时，变坡处上下段塔身主材规格接近。而直塔身模式较好布置电气间隙、加工方便、塔身还能够与下横担形成相互连接的垂直型式或角钢。

第八，优化塔身坡度。当塔身上口宽一定时，铁塔斜材与塔身坡度呈正比，若塔身坡度越大，那么铁塔斜材就越短，同时，斜材重量会增加，斜材受力也会增加，但是铁塔的主材规格就会越大，铁塔主材内力也会进一步加大。塔身坡度的大小也会对征地范围和基础作用力的大小造成直接影响，基础作用力会随着塔身坡度的增大而变小，基础作用力会随着塔身坡度的变小而增大，由此可见，架空输电线路杆塔结构优化设计的关键就在于确定合适的塔身坡度。每一个具体的铁塔都会有一个最佳的铁塔重量。工程设计经验表明，塔重会受到塔身坡度的直接影响，而塔重却很少会受到塔身上口宽的影响。所以，对于架空输电线路杆塔而言，在满足变形要求和横担构造要求的前提下，不宜选择过大的塔身上口宽，若塔身上口宽选择过大会增加架空输电线路杆塔的塔重，使辅助材的耗量得以大幅度增加。而选取的坡度也应该在基础作用力、塔重相差不大的情况下，尽量取小的坡度，这样一来，无疑有利于环境保护，也能够减小征地范围。

3 结语

对于架空高压输电线路而言，架空输电线路的杆塔结构是其重要的组成部分。架空输电线路杆塔结构的设计质量与电网线路的经济性、可靠性存在着较为密切的联系，更会对电网的安全运行造成较大的影响，具有极为重要的作用。

总之，要因地制宜、因时制宜地优化架空输电线路杆塔结构，能够较好地提高杆塔结构的可靠性、稳定性、科学性，确保电力安全运行。

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作者简介：杨茜（1978—），女，广西人，柳州电力勘察设计有限公司助理工程师，研究方向：输电线路结构设计。

（责任编辑：秦逊玉）endprint