沿海抗台风大跨越杆塔结构设计

2018-03-02郑存波

中国设备工程 2018年4期

郑存波

（温州电力设计有限公司，浙江温州 325000）

电力工程建设时，杆塔会直接影响输电线路的稳定性及安全性，因而要十分重视杆塔的结构设计。要想保证杆塔结构设计具备科学性及合理性，不仅要充分考虑建设地区的地形情况，还需要注重其天气状况，尤其是沿海地区，台风天气多发，杆塔结构设计中更是要提升其抗台风的能力，以保证建成后的输电线路能够在台风天气中平稳运行。

1 台风对沿海地区大跨越杆塔的影响

我国沿海地区多海岛，架设输电线路过程中，部分输电线路会经过多个独立岛屿，此种状况下，海缆方式并不适合采用，原因是其用电可靠性及经济性均比较差，应采用大跨越架空线路的方式，即输电线路由大跨越杆塔支撑。大跨越杆塔使用期间，风灾、地质灾害等灾害的发生均会对其产生一定的影响，如地质灾害，可能会损害杆塔基础，或造成杆塔倾斜、倒杆等，进而影响输电线路的运行，甚至造成大面积的停电事故。众所周知，在沿海地区较易发生台风天气，一旦发生后，如果杆塔承受的水平风荷载超出最初的设计极限，横倾问题会出现；沿线路方向上，不平衡力产生，导致杆塔纵倾；上拔或下沉塔基。杆塔发生倾斜、倒杆、断杆之后，可造成断线，使输电线路无法运行，中断供电。例如“桑美”，是2006年发生的第8号台风，于8月10日下午5点在浙江苍南登录，中心最大风力17级，最大风速达到60米/秒，登录后严重的破坏了温州220kV杆塔，杆塔倾倒、杆头变形、横担弯曲等均为此台风造成的具体破坏形态，共破坏35基，使当地的供电受到极大的影响。

2 沿海抗台风大跨越杆塔结构的优化设计策略

2.1 科学选择铁塔材料

以往，大跨越铁塔使用的材料为Q235、Q345钢材，其具有良好的稳定性及较低的离散度，不过屈服点并不高。相比于国外先进国家，我国输电铁塔所采用的钢材还存在一些缺点，如材质单一、材质可选择范围窄、强度值偏低等。随着不断的增加输电线路铁塔荷载，必须要利用高强钢材减少铁塔的耗钢。根据设计经验，高强钢材应用后，能够减少部分主材肢厚，使钢材强度得到充分利用，同时，组合截面使用减少，结构构造简化，更加合理的传递结构荷载，增强输电铁塔的可靠性、安全性及经济性。基于上述分析，本文选择Q420或Q460高强度角钢作为铁塔材料。以长1500mm，L160×16角钢，中心受压主材为例，计算Q345、Q420、Q460的承载力，结果显示，Q420、Q460的承载力分别为1466.1kN、1566.8kN，均高于Q345的1244.6kN；再以上述三个强度等级钢材作为主材，计算塔重，结果显示，与Q345钢材相比，Q420与Q460均降低了计算塔重。这说明，Q420与Q460均能节省材料重量。在输电杆塔中，如果高强钢所占的平均重量为35%左右，将10%左右的原料价格差价去除后，保守估计，Q420与Q460均能节省造价，前者节省2%～6%，后者节省2%～8%。另外，Q420现已形成完成的生产供货及技术标准体系，而Q460尚在进行试点应用，部分问题还存在于生产供货及技术标准体系中，由此一来，必然会一定程度的提升造价。同时，Q460较高的要求钢材质量等级，并具备明显优于Q420的经济性。因此，本文最终选择Q420高强角钢作为输电铁塔的主材，高强钢连接高强钢时，利用8.8级螺栓，而高强钢连接其他钢材则利用8.8级螺栓或6.8级螺栓。

2.2 采用高强度螺栓

输电角钢铁塔结构中，主要采用螺栓连接，且连接时采用的螺栓多为普通螺栓。普通螺栓连接方式便于施工及拆卸，但会使用较多的钢量。应用高强度螺栓后，构件端头连接螺栓数量能够有效减少，且连接板尺寸也可减小，使塔重降低。镀锌粗制螺栓为我国目前常用的螺栓类型，其包含4.8级、6.8级、8.8级4类，使用4.8级时，无论角钢级别为何种，控制均由螺杆实现；使用6.8级时，角钢级别为Q420、Q460情况下，控制由螺杆实现；使用8.8级时，无论角钢级别为何种，控制均由构件孔壁承压或螺栓抗剪承载力实现。这说明，高强钢应用过程中，不仅要考虑螺栓的抗剪切强度，还需对钢材孔壁承压问题格外注意。高强钢构件与低级别螺栓组合时，角钢或钢板对螺栓的螺杆承压验算需特别注意。因螺旋存在不同级别，对比各级别的孔壁承压及螺栓抗剪力后，得出以下四方面的结论。

第一，钢构件应用Q235钢时，角钢肢厚较小情况下，孔壁承压力均小于单剪承载力，根据孔壁承压力控制螺栓个数的确定，此时，不管采用哪个级别的螺栓，均能获得相同的效果，可选4.8级，因其具有最低的价格，而6.8级便于施工；第二，钢构件应用Q345时，由于其具有较高的强度，角钢通常会大于L90×7，考虑受力角度情况下，至少应使用M20级别螺栓，此时，已经不适合采用4.8级，应使用6.8级以上；第三，钢构件应用Q420时，螺栓采用规律基本相同于Q345；第四，对比6.8级和8.8级螺栓强度比值发现，8.8级螺栓可减少20%螺栓数量，缩小10%节点板，即减轻10%的板重量，10.9级螺栓能够会更多的节省，但其运行经验缺乏，不建议使用。基于上述对比结果，本文最终确定高强度螺栓选用M16 6.8级、M20 6.8级、M24 8.8级。

2.3 优化杆塔结构布置

（1）优化横担布置：铁塔横担布置设计时，设计方案通常有两种，第一种为抽空横担上平面端部的交叉斜材，第二种为抽空横担上平面根部的交叉斜材。有限元软件ANSYS基础上，建立横担结构的空间桁架模型及空间钢架模型，同时，考虑横担结构承载力受到的非线性影响。经分析发现，如果横担结构仅承载竖向荷载，上平面交叉斜材布置形式并不会较大的影响结构整体承载力，适合采用第一种布置形式。但若竖向及水平荷载同时承载，获得较好效果的仍为第一种布置形式。基于此，本文采取的横担布置方式为抽空上平面端部的交叉斜材，同时，设计根据受力构件进行，以提升结构的承载力。

（2）优化开口及根开：铁塔整体重量及刚度均会直接受到塔身上下口宽度的影响，口宽越大，塔头刚度越大，可减小塔头位移及变性，并减小头部塔身主材内力，降低塔重，因此，铁塔整体刚度能够保证前提下，口宽要尽量减小。本文在优化过程中，设计了不同的变坡口宽，并利用道亨软件将塔重计算出来，结果见图1。根据图1可知，变坡口宽4.3m为最佳的宽度，0.10～0.105为最佳的塔身坡度。综合考虑后，本文选择塔身坡度0.105，变坡口宽4.4m。

图1 不同变坡口宽与塔重的关系

（3）优化塔身斜材的布置：交叉式、正K式、倒K式等为常用的布置塔身倾斜方式，布置形式采用单一方式情况下，同时受压易发生在斜材中，组合几种方式后，此种情况能够避免，促进塔重降低。无论倾斜布置方式为何种，均需要密切注意斜材与水平面的夹角α，α大小与斜材受力大小直接相关，二者成正比。本文结合沿海地区台风天气情况及地形后，设计α的取值范围处于35°～45°之间。

（4）优化横隔面设置：横隔面设置在塔身坡度不变段内时，通常，其间距要在平均宽度5倍以内，且要小于4个主材分段。设置横隔面过程中，可选位置有三处，一是与斜材交叉点垂直相交的位置，二是斜材交叉下方且横隔面下为斜材交叉顶点，三是两组交叉斜材的横中线，综合考虑塔重、刚度等因素后，本文选择前两处位置设置横隔面。

（5）确定构件计算长度：具有一定外荷载情况下，能够适当的确定构件计算长度会对塔重产生直接影响，并对其截面选择产生重要影响。构件强度与稳定相当时，构件的计算长度即为最佳计算长度，轴心受压，主材实现该目标的难度比较低，但斜材偏心受力，实现难度比较大。经计算发现，铁塔总重量中，主材重量约占40%，交叉斜材约占30%，辅助材、板钉及螺栓约占30%。由该比重可以看出，铁塔主材主要影响铁塔重量。以高强钢Q420作为主材时，单角钢情况下，肢宽140～160时，最佳计算长度1.2～1.25m，肢宽180～200时，最佳计算长度1.45～1.5m；四拼角钢情况下，肢宽160～180时，最佳计算长度2.5m，肢宽200时，最佳计算长度3.0m。

2.4 杆塔节点构造设计方案及优化

遵循相应规范标准情况下，本文还采取了以下优化措施，对杆塔结构设计做出进一步的优化。第一，直线塔塔头形式、塔身结构形式布置时，尽量利用双面连接方式连接主材，促进承载力提高；第二，节点板连接设计中，主材与斜材可采用非标准螺栓准线，使斜材尽量以直接的方式向主材伸入，提升节点的合理性及紧凑性，节点刚度有效保证前提下，节点连接板尺寸尽量减少，构造要求满足基础上，螺栓准线在角钢上布置多条，促进构件偏心值降低。杆件端部刚度提高；第三，主材采取双排准线时，可在其外排准线上连接辅助材，使连接间隙改善的同时，促进塔重减轻；第四，因主材及斜材夹角会影响主材扣孔，主材连接斜材时，尽量直接伸入，主材净截面保证后，连接板不用或少用；第五，杆件双面连接时，布置避免对孔进行，促进其断面损失减小；第六，紧凑实施节点连接，并减小节点板面积。