高压输电线路钢管杆结构的优化设计

摘要：高压输电线路的设计质量直接关乎到电网的质量，并進一步对其电能的供应质量产生影响。因此，应按国家的基本建设方针与经济技术政策优化高压输电线路设计。为了提高高压输电线路的运行质量，钢管杆在郊、城区输电线路工程中得到了广泛的应用。据此，本文结合实践经验，浅析高压输电线路钢管杆结构的优化设计。

关键词：钢管杆；高压输电线路；结构设计

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）5（c）-0000-00

0引言

与普通水泥杆和角钢塔相比，钢管杆具有造型美观、安装方便、使用寿命长和占地面积小等优点，但其造价非常高。因此，为了降低钢管杆的造价及充分发挥其在高压输电线路工程中的作用，应优化其结构设计。一般来讲，钢管杆结构采用的是基于概率理论的极限状态设计方法，而钢管杆的可靠度则用可靠度指标量来加以度量，注意在这一设计过程中，应将钢管杆的制造、施工、运维方法及环境等因素考虑其中，同时应严控钢管杆的刚度、强度和稳定性等要素。据此，分别讨论高压输电线路钢管杆结构参数及其影响要素的优化设计。

1钢管杆结构参数的优化

在高压输电线路钢管杆结构的设计中，应注意优化如下参数：

1.1钢管杆挠度

在高压输电线路中，钢管杆选材的控制要素一般以挠度控制为主。据研究结果显示，在计算强度达到要求的情况下，钢管杆的运行挠度超过30‰，这将严重影响钢管杆的强度，而当计算挠度达到要求时，材料强度将有较大富余。依据DL/T5130-2001可知，直线杆与转角、终端杆的杆顶允许挠度分别为5‰、20‰，但需满足一定的计算工况条件：风速5m/s、无冰及取正常使用极限状态所对应的荷载等。显然，上述规范对钢管杆挠度的规定较宽松，因此在钢管杆制造和安装中，应采取如下措施来控制钢管杆的运行挠度：一是在制造钢管杆时预弯杆身；二是在安装钢管杆时进行预偏，其中方法一的效果很好，但工艺要求高，而方法二的施工难度低，但其易在加载后出现拱形变形。一般来讲，预弯或预偏的极大值应比设计挠度值小或两者相等，同时应在无日照环境中测量挠度，以免温度变化影响杆身的变形。

1.2钢管杆梢径

在钢管杆的杆顶挠度控制中，梢径一般其决定性的作用。据研究结果显示，在钢管杆的力学模型中，截面惯性矩与挠度呈负相关，同时依据DL/T5130-2001可知，钢管杆的截面惯性矩 ，式中，c表示与截面形状有关的常数，一般在十二边形截面中，c取0.411；D表示截面直径的平均值；t表示钢板的厚度。据此，从对挠度的作用来看，钢管杆直径远比钢板厚度大，且当其他外形参数既定的条件下，通过增加梢径的尺寸，可提高钢管杆的刚度及降低杆顶的位移量。

1.3主杆坡度

杆身坡度一般取决于杆塔的荷载，且钢管杆的荷载与弯矩包络图的斜率呈正相关，因此需将主杆的坡度控制在较高水平。但从挠度控制的角度来看，梢径不宜太小，因为过大的坡度必定会增大根径，从而造成材料浪费和影响美观。因此，在钢管杆结构设计中，应通过控制杆身坡度和梢径来控制钢材的用量，即在荷载条件一定的情况下，采用多方案组合的方式优化杆塔坡度和梢径的设计，然后再通过比较计算重量来确定杆身坡度的最佳值。

1.4杆身分段长度

为了实现钢管杆壁厚的均匀变化，需将钢管杆分成长度约为10cm的杆段，其中杆段长度的控制应满足运输、模压和热镀锌的要求。当钢管杆的壁厚偏大时，应适当缩减杆段的长度。另外，钢管杆的合理分段可优化每一杆段的应力比，详见表1。当钢管杆的计算长度为1.0m时，通过调节每一杆段的分段长度，可提高其利用率。

2钢管杆结构设计影响条件的优化控制

高压输电线路钢管杆结构的设计除了要对其主要技术参数进行控制以外，还应对其他要素进行优化控制，具体控制要素如下：

2.1优选气象条件

通过对线路沿线的气象资料进行数理统计及结合已有的经验积累，确定钢管杆运行环境的气象条件，即：110-330kV、500-750kV输电线路的大跨越重现期分别取30年和50年，注意在实际使用中，不得过大取用大跨越重现期。

2.2杆塔结构的重要性系数

一般来讲，在临时、一般重要和特别重要高压输电线路中，杆塔结构的重要系数应分别取0.9、1.0、1.1，从而降低钢管杆的建设成本。

2.3区分杆塔的类型

正确区分钢管杆结构设计中杆塔的类型，即将耐张杆和直线杆区分开来，以免导地线对直线杆产生拉力作用。还应对杆塔使用转角度数进行合理规划，以免实际使用角度比设计角度小，从而减小杆塔的荷载。针对终端杆而言，还应区分进线档的设计，比如π线路、T接线和分支线路所用的杆塔，需将荷载组合考虑其中。

2.4优化使用档距

通常而言，应通过计算比较地线和导线的最大使用张力来选取地线与导线的安全系数，其中导线安全系数一般取6-8，而地线安全系数取10-11。另外，为了保证设计的经济性，钢管杆的水平档距与垂直档距应分别取Lp-120-150m、Lv200-250m。

2.5杆头与呼称高

在钢管杆结构设计中，首先应将电气的间隙要求考虑其中，然后再在这一条件下控制线路走廊的宽度及优化杆头与横担的长度，同时还应将城区10kV线路与树木、路灯的交叉跨越高度考虑其中。在实际设计中，杆头与呼称高度的优化目标应选为杆塔重量最轻，同时适当考虑到根径的尺寸。一般来讲，对单或双回路杆塔而言，应将其呼称高极差控制在3m，而多回路杆塔则应控制在2m。

2.6选杆塔材料

针对大截面、多回路的导地线及数分裂的导地线而言，其杆塔材料应选为Q420或Q460高强钢，如此既可保证杆塔的使用质量，又可减少材料的用量。

2.7优化杆塔的结构型式

通常一般杆塔可按正多边形进行单杆设计，而针对导地线张力大、转角大、线路回路数多的杆塔，则应进行双杆设计，其中在这一设计环节，应注意如下要点：严控水平面上导地线与双杆的投影交叉角度，并增大在大张力方向上的计算宽度；在杆身与横担的连接处进行局部补强，从而实现减轻杆塔重量的目的。

2.8优化主杆截面形式

依据DL/T5130-2001可知，在高压输电线路中，钢管杆截面的常用形式包括环形、十六边形、十二边形、八边形、六边形和四边形等，其中环形截面的惯性矩最大，但其受力条件最优，然而在实际使用中，高压输电线路钢管杆主杆的截面一般采用的是多边形，其中十二边形在110kV钢管杆中最为常用，而十六边形常用在大荷载钢管杆中，注意这一应用现状主要由加工条件所决定。另外，在宽厚比的影响下，当主杆截面的变数较多时，其受力条件更多，且材料的耗费最少，但此时的加工难度也会更高。相对于棱锥形钢管杆，圆锥形的刚度更高及力学条件更有，但对于棱锥形而言，当期棱边数增加至足够大时，其刚度将与圆锥形钢管杆无限接近。

3讨论

据所述内容，优化直线杆GCZ1-27、转角杆GSJ2-25的结构。优化结果表明，当梢径为300mm及杆身坡度为0.01时，直线杆GSZ1-27的计算重量出现最优值，而当坡度<0.008时，直径D的增速明显减缓，则为了增加截面的惯性矩，需增加壁厚；当坡度>0.12时，也应通过增加壁厚来稳定结构的局部稳定性，但会降低杆段的利用率。与此相比，当梢径为450mm及杆身坡度为0.015时，转角杆GSJ2-25的计算重量出现最优值，注意在计算中，梢径的增加会减少钢管杆的挠度，且在梢径为550mm及杆身坡度>0.019时，挠度控制基本不会对杆身计算产生任何影响，但会降低杆段的利用率。总之，在高压输电线路中，钢管杆结构设计的优化项目多且覆盖面广，且钢管杆的挠度、梢径、截面形状、主杆壁厚等结构参数及杆塔结构型式、主杆截面形状、杆塔类型等影响要素都会对钢管杆结构设计质量产生影响。因此，在保证刚度和强度的条件下，应通过优化控制结构参数及影响要素来提高钢管杆的结构设计质量，从而为高压输电线路的稳定运行提供保障性条件。

参考文献：

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作者简介：陶冶（1984—），男，河北石家庄人，硕士研究生学历，工程师，从事输电线路结构设计的研究。