输电线路大跨越铁塔结构设计研究

2021-01-28郑晶

建材与装饰 2021年3期

郑晶

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙 410000）

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输电线路大跨越铁塔由于跨越距离较远，对于施工人员的施工技术要求较高，掌握铁塔结构的设计原理及当下困境能够帮助设计人员更好的对铁塔结构进行针对性设计，提高大跨越铁塔建设的整体搭建水平。根据输电线路大跨越所面临的困境提出改进措施，能够增强其实际的应用效果。

1 输电线路大跨越铁塔结构设计原理

输电线路大跨越铁塔是指跨河、跨江、中间档距大于1000m，而铁塔高度大于100m的输电铁塔。输电线路大跨越铁塔结构设计原理为：在设计之初，一般以浅埋式设计为主，在实地考察后再制定具体的设计方案，施工过程中采用基础加重的方式来确保铁塔架体结构的稳定性；若铁塔建设位置地下水含量较丰富，铁塔就会受到该地下水的影响出现腐蚀现象，因此在搭建过程中要注意铁塔底部的搭建深度。

2 输电线路大跨越铁塔结构发展历程

输电线路大跨越铁塔结构发展历程如下：我国在大跨越铁塔建设之初，因钢材紧缺，故采用钢筋混凝土的结构设计方式，此种方式的特点为经济效益高、结构稳定且安全系数高，多应用于长江中下游平原一代；随时代发展，大跨越铁塔技术水平也在不断提高，铁塔的搭建高度也从之前的116m增加到256m，输电电压等级也变为1100kV，这一时期多使用角钢材质来作为大跨越铁塔的搭建材料，其与混凝土结构相比硬度更高且抗压能力更好；时间推进到80年代以后，在大跨越铁塔结构设计中出现了钢管结构，与前者相比，其能承受的荷载力更大，基本能够满足我国对于大跨越铁塔的需求。因此，对于重要路段大跨越铁塔建设多采用此种结构来进行设计，其有着组装简便、稳定性强等特点。

3 输电线路大跨越铁塔结构设计具体研究

3.1 输电线路大跨越铁塔结构设计应用主要技术

3.1.1 塔头结点及导线材料布置

铁塔结点设置也就是对铁塔的杆系结点进行设置，在铁塔塔头杆系结点变为刚性结点后不会对后续的施工过程造成严重影响，但会造成一定程度的材料耗费，以此产生没必要的成本损失，这种情况可以通过在铁塔结构中加入平连杆装置来解决，这是最大程度节约经济成本的解决方式，要求平连杆装置的热镀锌构件长度在10m以内，宽度在0.75m以内。在经济成本造价较宽泛的情况下，也可在铁塔结构中加入三铰拱，虽然价格较高，但可以保持铁塔结构的稳定性。焊接三铰拱的螺栓数量要求每端不能少于5个，而斜杆接头部分的螺栓数量不能少于4个；导线材料布置方面，对于交叉型的材料，若将其布置在横担的主材料部分上，就会给主杆造成很大的压力，导致此处连接点工件出现变形，为了避免节点工件变形导致后续出现更大的安全性问题，要在塔架设计之初在此工件结构上加入短角钢的设计，角钢之间的间隙要控制在2mm以内。加入短角钢只能在一定程度上减缓工件变形速度，要从根本上解决此问题就要将交叉型钢材安装到横担的根部位置，以此将压力转移到铁塔主结构上，减少结点工件的受力程度。

3.1.2 曲臂及辅助壁吊架设置

在铁塔的结构中加入曲臂，不仅能提升铁塔的稳定性，还能一定程度上增加铁塔的实用性。在铁塔结构中增加曲臂设计，能够实现横向及纵向的承载，将压力分散开以提升各部分结构的使用寿命[1]。悬臂两角钢之间的间隙要控制在10mm以内，外部角钢的面积不能小于周围连接部分角钢面积的1.2倍。悬臂的横担不宜超过3m，而塔架底部的接地孔直径不宜超过17mm，其离顶面距离最好在0.5～1.0m之间。在荷载力传导方向上面，要加入杆件来实现荷载力转移，具体杆件设计要根据荷载力方向来进行调整；图1为辅助臂的提升示意图，在铁塔结构中加入辅助臂设置能有效帮助悬臂进行牵引工作，具体工作时利用抱杆和控制绳来完成悬臂的调节和固定，在辅助臂达到所需高度后，可用销轴将其直接固定在施工所用的挂孔上面，以微调的方式将臂架调整到最佳位置。

图1 辅助臂提升

3.1.3 大坡度塔身及偏心问题规范

在铁塔结构设计中将塔身设计成大坡度，能够大幅减少建造铁塔所需的建筑材料，但在铁塔建设中将塔身设计成大坡度会导致塔架出现大角度的倾斜，以此造成安全性问题，这就需要工作人员在进行具体设计时，通过加强此部分材料牢固性来进行铁塔结构的完善工作，例如在一些关键架构部分加入双排螺栓来固定架体，螺栓之间的间隙要保持在3mm左右；偏心率问题是建设铁塔过程中的最核心问题，因此需要设计人员特别注意。为避免塔架出现偏心问题，需要设计人员就两方面加以注意：一方面，在进行塔架建设时，不能采用单包铁作业方式，注意将斜材及竹制材料连接牢固，斜材之间的角度要控制在30°以内，连接方式上可选择垫圈，若垫圈超过2个或8mm就要采用垫板进行连接；另一方面，在发现塔架出现偏心问题时，可应用主架构嫁接辅助架构及接头的方式加以解决，这样能够在一定程度上节约塔架结构修建的费用。

3.2 输电线路大跨越铁塔结构所面对的困境及改进措施

3.2.1 暴雪

暴雪是影响输电线路大跨越铁架使用寿命的最主要问题之一。以2017年南方特大暴雪为例，其导致大量的输电站停止运营，且大量的积雪导致铁塔上承载的压力过大，出现倒塌事故，在影响输电线路正常供电的同时，也威胁当地居民的人身安全。在积雪堆积到铁塔上时，会出现结冰现象，以此对输电线造成损坏，对后续的电路供应质量造成影响。基于此种情况，需要铁塔设计人员在设计之初详细了解铁塔搭建地区的气候环境及周边的地理情况，在了解之后针对该地区情况进行具体的铁塔设计，如适时增加铁塔分散压力工件来增强铁塔的荷载力、在输电线路上增加一层绝缘的保护膜来隔绝积雪，减少输电线路因积雪造成损坏的概率。

3.2.2 地震及雷击

地震对于输电线路及铁塔、通信塔的破坏都是彻底的，对于输电线路的修理比较简单，但对于铁塔及通信塔的维修就十分复杂，修理过程中需要耗费大量的人力和财力，且修理过程十分缓慢，在修理期间无法进行正常供电，严重影响当地居民生活。虽然地震属于不可抗力，但增强铁塔的各部分稳定性能够起到很好的减震效果，具体可利用物理学知识来对铁塔结构进行优化，以提升减震效果；根据N=rhT及h=hg-2f/3的雷击次数公式可将输电线路遭受雷击的次数计算出来，再根据次数进行原因分析[2]。根据分析，地势较高且较空旷位置的输电线路大跨越铁塔受雷击的次数更多，因此在铁塔设计之初，尽量避开高地势的空旷区域，若不可避免，就做好铁塔的避雷工作。

3.2.3 环境腐蚀

在输电线路大跨越铁塔设计中，环境腐蚀问题也是其重点需要考量的问题之一。由于铁塔长期暴露在室外条件下，所处环境极易导致其被腐蚀，尤其一些地区还有酸雨等自然灾害，更是对铁塔的安全性造成了不利影响[3]。以南方地区为例，南方地区气候湿热，且土壤中酸度较高，对铁塔的腐蚀程度较大，因此在进行铁塔设计时，可在铁塔外部构件上进行防腐防氧化的刷漆处理，对重要结构部分的铆钉上缠绕一层隔绝保护套，以此避免铆钉长期处于室外中发生锈化现象，对整个铁塔结构造成影响。