浅谈输电线路杆塔结构设计

王飞 王军 张涛

摘要：架空输电线路杆塔在整个电网线路中都占据着非常重要的地位，其结构设计的合理与否，对电网线路是否能够正常、稳定、安全的运行具有重要的意义。随着科学技术的不断发展，社会正在逐步推广和发展特高压电网建设新技术，这也给架空输电线路杆的设计带来了新的研究方向。本研究从杆塔结构设计中面临的主要问题出发，结合工作实际，对这些问题进行了探讨和研究，并简要介绍了线路杆塔结构研究的主要方向。

关键词：输电线路;杆塔型;结构设计

1杆塔设计目前面临的主要问题

1.1杆塔结构形式的选择问题

在对杆塔结构进行研究时，一方面是研究杆塔的结构与承载力的关系，如杆件强度的运算方法，杆端节点结构的设计运算方法等;另一方面是研究杆塔的模型，即结构形式的选择问题，如塔头类型、坡度、根开、铁塔节间等的布局和优化方法。经济效益和有效的质量一直都是选择架空输电线路杆塔的结构型式时所必须首先考虑的问题。根据目前的科学技术水平来看，拉线塔是被世界公认的经济效益最明显的杆塔结构形式。拉线塔具有多种形式，其结构较轻，应用比较广泛，其中比较著名的有拉线拉索杆塔，这是一种相间无构架的拉线塔，在特高压工程中是一种理想的杆塔结构。但是，拉线塔的缺点也十分明显，其受环境因素影响十分严重。比如在城市附近或高山地区，由于地形较为复杂，给打拉线和运输施工带来的非常大的困难，因此在我国，特高压线路多采用拉线塔，局部地区采用自立式铁塔。常见的自立式铁塔有单回线路、双回供架铁塔等，由于其有较强的机械强度，所以很少有故障的发生故障，在一些较为复杂的地形中应用广泛，但其制作难度相对较大，且投入的成本也很多。

1.2杆塔强度问题

从一般角度来讲，杆塔的结构形式、受力形式、以及杆塔的材料等往往都会影响到杆塔的强度。架空输电线路的建造是一个长期的工程，一旦建造好后，会常年进行工作，因此作为导线和避雷线的支持物，杆塔必须要有一定的荷载承受能力，其强度和刚度都必须满足一定的要求，才能确保杆塔的质量稳定。对于杆塔强度问题的研究，主要方向包括以下几点，一是结构关键性系数的研究，二是杆塔的负载周期、设计风速以及塔的静动态荷载计算方法的研究。此外还包括杆塔的荷载组合原则研究。其中，杆塔结构的关键性系数主要决定于由结构可靠度指标来进行研究分析和确定，而负载周期则主要是针对塔的风振系数，对高压导线的荷载组合进行研究。目前，应用比较广泛的是杆塔截面为环形截面。这种构件相比于其它构件来讲具有很多独特的有点。例如：其各方向承载能力均相等，加工起来方便，而且节省材料，可以大大的减少投资等等。并且这种环形截面的钢筋混凝土构件不管在强度还是在刚度上都满足相关要求。需要注意的是，在对构件进行研究加工时，必须注意钢筋的张拉处理，保证杆塔不产生裂缝，延长其使用寿命和稳定性。

2.输电线路杆塔结构研究

2.1杆塔荷载

对杆塔荷载的研究，主要研究结构重要性系数、风荷载重现期、最小设计风速等的取值和杆塔的静力和动力风荷载计算方法以及杆塔荷载的组合和取值原则。结构重要性系数和风荷载重现期，主要基于对结构可靠度指标的分析来确定;风振系数主要针对高塔来进行;荷载组合主要研究导线的断线原则、张力取值以及与风、冰荷载的组合条件。这些外荷载取值的研究，目的是掌握杆塔外部荷载更为合理的作用和变化规律，为杆塔结构设计提供较为客观的依据。

2.2杆塔结构设计方法

杆塔结构设计方法的研究，一方面是研究杆塔结构设计中的分析计算力学模型、杆件承载力计算方法、杆端节点构造设计计算方法等;另一方面是研究杆件选型、塔头型式、塔腿型式、坡度、根开以及塔身断面、塔身斜材、横隔面等的布置与优化方法。目前，铁塔一般按照理想铰接的整体空间桁架来设计。假设节点的约束为理想铰接，将整个塔架作为超静定空间体系，根据平衡条件和变形协调关系求解塔架的内力和变形，再根据强度和稳定性条件完成铁塔设计的选材工作。

3.我国输电线路杆塔结构的未来研究方向

当前，气候条件复杂多变，现行的杆塔结构的设计技术存在着不少不相适用的地方。电压等级的提高、新型输电技术的应用，使得杆塔结构复杂、高大的发展趋势愈加明显。在这种情况下，如何保证安全可靠、经济合理、具有更好的抵御自然灾害的能力，是当前杆塔结构研究的重点。

3.1设计理论体系

总体来看，我国输电线路铁塔结构设计理论较为传统，需要适应发展需求，形成完善的、更为先进的理论体系。常规的设计方法是以线弹性结构分析理论为基础的，如何将结构分析的非线性理论、桁架结构极限设计的理论和方法等现代结构分析方法应用到输电铁塔设计中，需要进一步深入研究。在加工误差、初位移、初应力对杆件承载力的影响等方面，还缺乏深入研究和明确结论。需要继续研究导线与杆塔、杆塔与基础的相互作用，并在此基础上，研究导线、杆塔以及基础的一体化设计方法。

3.2荷载取值

杆塔荷载的取值，目前偏重于与静力风荷载有关的几个关键参数的研究。对于动力风荷载的取值，还缺乏较为深入和系统的研究。对冰荷载的取值，由于线路地形复杂、幅员辽阔以及可供利用的气象资料较少，目前大多根据调查数据和工程经验来确定，尤其是微地形、微气象区域的冰荷载的取值，研究工作偏弱。对风、冰荷载组合以及与断线工况组合的取值，也需要加强研究。

3.3节点构造计算方法

我国输电铁塔与国外的相比偏重偏大，除设计理念、材料性能等方面的因素外，节点构造上的差异也是重要原因之一。目前，对新材料、新性能节点的研究还不充分，节点构造对杆件承载力的影响还需进一步的研究。

3.4 设计计算软件

目前行业内采用的设计计算软件较为陈旧，很少将近年来一些新的研究成果和成功经验纳入其中，在设计方法上存在明显漏洞，如风振动力荷载的考虑和计算。设计时根据杆塔主要结构参数大致确定风振系数，通过不断循环的静力分析对杆塔进行选材，但结构的动力特性并没有经过往复校验。“数字化电网”是未来输电线路设计、运行和维护的必然发展趋势。在研究、摸清线路机械力学系统在各种气象和地理条件下的动力学行为的基础上，需要研究开发输电线路一体化设计软件平台。

3.5新材料的应用研究

我国铁塔结构以热轧等肢角钢为主，构件型式单一，钢管构件的应用刚刚起步。在国外，钢管构件、不等边角钢、冷轧薄壁型钢、卷肢角钢等均有大量应用。铁塔材料强度低，我国普遍使用Q235和Q345 两种钢材，国外受力大的杆件大都采用高强度钢材。目前刚刚进行Q420、Q460 的研究及推广，但在实际运用中还存在一些问题。需要继续加强高强钢管塔、耐候钢塔、冷弯型钢塔的应用研究。也有必要开展复合材料在输电铁塔上的应用研究。

4.结语

架空输电线路杆塔作支撑着整个电网线路，具有重要的意义和研究价值。随着市场经济的快速发展，各种新的电网问题也不断发生，对于线路设计者来说，必须严格要求自己，推广应用先进的科学技术，从而保证杆塔结构设计的可行性、经济性、合理性。

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