鲁固特高压直流黄河大跨越铁塔设计

姚元玺，张丽娟

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

鲁固特高压直流工程黄河跨越段长3.702 km，跨越方式为“耐张塔—直线塔—直线塔—直线塔—耐张塔”，最大档距1 356 m，大跨越塔高度为122 m，设计基本风速为33 m／s，导线覆冰厚度取15 mm，地线设计冰厚取20 mm。跨河段导线选用特强钢芯铝合金绞线JLHA1／G4A-900／240［1-3］。大跨越杆塔负荷较一般铁塔负荷增加，杆塔外形尺寸较大，结构型式复杂，传统的设计理念和手段在跨越塔设计中存在一定的局限性，因此应从新的角度和高度认识大跨越杆塔受力的复杂性。

从杆塔塔型、塔材选择、结构布置、节点构造、设计计算、附属设施等方面对大跨越杆塔进行设计优化，保障跨越塔安全可靠运行，对该工程的实施以及降低投资具有非常重要的意义。

1 塔头布置

大跨越塔塔头型式优化一般执行以下原则：满足电气间隙要求；塔头布置紧凑，传力路径简洁明晰。导线挂线方式采用“I 串”，针对该种挂线方式，选择4 种塔头型式做比较，如表1 所示。

第1 种塔头方案外形较为美观，布置合理紧凑，结构传力直接，塔重指标最优，近几年多条特高压直流输电工程大跨越杆塔均采用了此种结构型式，设计、施工经验丰富，为直线跨越塔塔头布置的推荐方案。

2 构件断面型式选择及材质选择

2.1 断面型式选择

目前国内常用的大跨越塔断面型式主要有钢管塔、组合断面角钢塔和钢筋混凝土塔3 种型式。这3种塔型各具特色，均有工程实践和设计经验可以借鉴。3 种塔型的优缺点详见表2。

表1 不同塔头型式比较

表2 3 种塔型的优缺点

对于钢筋混凝土塔，从国内已建的大跨越钢筋混凝土跨越塔来看，均曾不同程度地出现过裂缝、露筋、混凝土剥落等现象，影响塔的耐久性；另一方面由于钢筋混凝土塔自重较大，基础工程量增加较多，从而增加了本体工程的造价。从施工方面来看，钢筋混凝土塔筒体的浇筑须在基础施工完成后才能进行，导致施工周期加长。考虑到以上不利因素，不采用钢筋混凝土塔。

钢管塔由于良好的截面特性和简洁美观的结构型式，已在大跨越铁塔设计中占有越来越重要的位置。从加工制造上看，目前国内许多加工厂都具备了轧制大尺寸圆形与多边形钢管的能力；从施工安装方面来看，钢管塔构件数量与组合断面角钢塔相比，约可减少60%以上，这将给铁塔运输和吊装中杆件的核对、堆料、组装等带来诸多方便，可以缩短安装周期［4］。

在经济性方面，对大跨越直线塔按钢管塔与角钢塔进行计算比较，如采用角钢塔，则大跨越直线塔塔身主材需采用四组合格构柱型式，增加大量的缀板和螺栓，结构构造极其复杂。选用钢管塔，杆件数量少，节点构造明显比角钢结构简洁，且单基塔重比组合断面角钢型式轻20%左右。同时由于塔身风荷载较小，钢管塔的基础作用力较角钢塔明显降低，因此基础材料耗量也相对较低。综合考虑钢管与角钢的价格差异，钢管塔较角钢塔综合造价降低5%左右。

综合以上技术和经济性等方面的分析、比较，直线跨越塔推荐采用钢管塔。

2.2 材质选择

采用高强度钢管能有效提高截面承载能力，在相同荷载作用下，可有效降低钢管截面尺寸，对大跨越直线塔而言，塔身风荷载所占比重较大，由于挡风面积减小而降低的塔身风荷载将进一步减小铁塔主材内力，因此通过采用高强度钢管材料，可得到更优的塔材指标。

对大跨越直线塔采用Q460、Q420 高强度钢材和Q345 钢材进行比较，结果如表3 所示。

表3 不同材质经济性比较

由表3 可看出，主材采用Q420 材质与Q345 材质相比，节省塔重约7%，节约造价约4%，经济性明显；Q460 塔与Q420 塔相比，节省塔重约3%，节约造价约1%，经济性差异不大。

目前，输电线路行业在Q420、Q460 高强钢管塔的设计、加工上已具备了一定的经验。但Q460 钢管塔在输电线路上的应用尚在起步阶段，其可焊性差，对焊接工艺、焊接人员技术资质要求较高，各项设计指标在我国钢结构设计规范中也并没有明确规定。相比之下，Q420 钢已列入我国钢结构设计规范，设计强度指标等相对明确，质量水平相对稳定，加工经验相对成熟，在国内特高压交流输电线路中已进行了大规模的应用。同时考虑到Q460 钢管相对Q420钢管在经济性方面并无明显优势，因此跨越直线塔推荐采用Q420B 高强度钢管塔。

3 跨越塔动力特性及风振系数计算

3.1 风振系数理论计算

跨越塔呼高139 m，全塔高度143 m，风荷载对结构的内力计算值影响最大，而风荷载包括平均风和脉动风，脉动风产起的风振响应通过风振系数来体现［5］。基于随机振动理论，高度h 处的风振系数βz（h）为：

式中：Pdl（h）为塔身段振型风振力；Ps（h）为静风荷载；μs（h）为杆塔体型系数；μz（h）为风压高度变化系数；w0为杆塔所在地区的基本风压；A（h）为高度h 处杆塔迎风面的面积［6］。

Pdl（h）按照随机振动理论计算，应用有限元分析软件对杆塔风振响应时程进行计算，根据分析结果进一步推算大跨越杆塔的风振系数。

3.2 大跨越塔振型计算及风振系数取值

采用有限元法建立主材梁单元、斜材杆单元的混合单元模型进行动力分析，考虑铁塔前三阶振型，分别为垂直线路方向的一阶平动模态、顺线路方向的一阶平动模态以及扭转振型，频率依次为1.020 Hz、1.011 Hz、2.08 Hz，根据文献［4］规定，对于塔架结构，可仅考虑结构第1 阶振型影响。黄河跨越段直线塔的第1 阶振型系数如图1 所示（H 为杆塔总高度）。

图1 振型系数（第1 阶振型）

跨越塔风振系数如表4 所示，对其进行加权，可得加权βz为1.785，杆塔风振系数并非随着高度线性增加，在横担位置数值发生突增，原因是全塔质量分布不均匀，尤其是大跨越塔横担长度长，集中质量大。因此，跨越塔设计时需注意通过合理布置塔身结构使杆塔质量上下分布尽可能均匀。

表4 大跨越塔风振系数

4 节点设计

4.1 法兰设计

以往钢管塔结构中，法兰连接节点往往采用刚性法兰、柔性法兰和锻造法兰［7］，这3 种法兰的优缺点为：刚性法兰刚度大、强度高，但是焊接工作量较多，影响其加工效率；柔性法兰无加劲板，可大幅减少焊接量，但是其刚度相对较小，螺栓受到法兰端部的翘力作用，整体受力性能较差，应用并不广泛；锻造法兰加工周期短、焊接工作量小，但螺栓同样受到翘力作用，目前在工程中已有使用；柔性法兰由于整体受力性能不佳、螺栓受力及规格较大，不适合大跨越杆塔使用。对于刚性法兰和锻造法兰，有必要进行经济比较，以便优选法兰形式。

针对刚性法兰和锻造法兰，采用Q420 材质钢管、Q420 法兰及8.8 级螺栓进行了技术经济比较，见表5。从表5 中数据可知，刚性法兰的综合造价约为锻造法兰的70%～80%，刚性法兰的经济性优于锻造法兰。另外，对于大跨越杆塔，锻造法兰厚度较厚，加工难度大，目前国内对Q420 锻造法兰的锻造工艺还不成熟，成品质量较难保证。因此建议大跨越塔采用刚性法兰。

表5 刚性法兰与锻造法兰对比

4.2 螺栓设计

8.8级高强度螺栓目前已在输电线路工程中广泛使用，其使用规格一般在M24—M56 之间，质量稳定。10.9 级高强度螺栓虽然在线路上应用不多，但已列入国家标准，且在其他钢结构中已有应用，但10.9级螺栓强度较高，其脆性也相应增大，产品质量不易保证，镀锌后质量更不稳定，且在输电线路中使用经验不足。

采用8.8 级螺栓，质量上有较为可靠的保证，且在线路工程中有较为成熟的运行经验；对于10.9 级螺栓，设计上虽然已经具备条件，但是如何保证其加工质量及成品的合格率，是制约工程质量的重要因素。因此大跨越塔推荐采用8.8 级螺栓。

5 施工及检修设施

5.1 登塔设施

为方便检修维护人员登塔作业，跨越直线塔一般设置多种登塔措施，包含动力提升装备、爬梯以及脚钉等。各种登塔装置的特点见表6。

表6 登塔设施比较

表7 动力载人提升装置造价对比 万元

综合比较，攀爬机加斜爬梯具有安全简易、攀爬舒适、材料耗量小、设备价格低等优势，推荐为跨越塔的主要攀爬方式。

攀爬机主要有2 种型式：一种为利用铺设于塔面上的导轨，通过齿轮齿条连接传动，将吊笼提升至塔顶；一种为在塔中心专门设置攀爬机桁架井筒，导轨敷设在井筒上，垂直上下移动。设置于塔面上的攀爬机导轨构造简单，只需在塔面横隔处预留导轨挂孔，较中心井架方式，节省钢材，造价较低，为推荐方式。

斜爬梯采用沿塔面斜材盘旋而上的方式，登塔较为轻松，运行维护方便。当爬梯在塔身正面隔面处遇到攀爬机时，爬梯进入塔身内部，沿隔面布置，绕过塔面攀爬机后再上升至斜材处，沿斜材继续爬升。

5.2 施工及检修设施

为减轻施工、运检人员的工作强度，保障人身安全，大跨越塔考虑设置附属设施。

1）塔身分段处、斜爬梯转向处均设置休息平台，并与攀爬机小平台相连，方便人员上下。

2）走道宽度0.65 m，护栏高度1.2 m。走道与休息平台连接，能够到达导、地线挂线位置以及其他需要设备维护处。

3）塔身所有横隔面四周、导地线横担两侧均在1.2 m 高度处加设水平拉索，提高操作人员横向运动时的安全感。

4）主材钢管接头法兰以下1.0 m 处安装用于悬挂施工人员操作站位平台，法兰下部0.3 m 左右设置安全带挂钩，加强施工人员安全度，保证分段组塔时大直径法兰的顺利连接。

5）超过3 m 长的钢管构件最少有一侧设置双向脚钉，便于运检人员安全顺利到达每一个节点。

6 结语

大跨越杆塔选用导线、地线复合一体横担布置的燕翅型结构，外形美观，结构紧凑，受力简洁；大跨越杆塔塔身推荐采用钢管结构，构件材质可采用Q420 高强钢；采用随机振动理论计算了大跨越塔分段风振系数，其在横担位置数值突变；大跨越杆塔采用刚性法兰连接，螺栓采用8.8 级；登塔设施采用攀爬机加斜爬梯方式，并在塔身适当位置和横担处设置休息平台和走道，以方便检修维护人员登塔作业。