330 kV垂直出线塔结构设计

王宁璧，应 捷，王甲麟

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.中国电力工程顾问集团新能源有限公司西安分公司，陕西 西安 710032)

0 引言

西北地区采用的常规330 kV户外GIS一般采用A、B、C三相水平排列，构架采用带端撑的人字柱门型排架结构，由于受出线门型构架宽度的限制，使得变电站垂直于出线方向的尺寸并未因采用GIS设备而减小，不能最大限度地发挥GIS布置紧凑的优势。因此提出了垂直出线布置方案，利用导线垂直排列的方式，进一步减小出线间隔宽度，充分发挥GIS布置紧凑的优势。为了适应垂直出线布置，一种不同于门型排架结构的出线塔结构应运而生。

目前，配电装置垂直出线布置多见于城市中220 kV及以下电压等级的配电装置，某工程的110 kV双回垂直出线塔（单杆塔）如图1所示。对于330 kV GIS垂直出线布置，导线拉力及出线高度均较220 kV出线塔大得多，结构受力要求更高，330 kV GIS垂直出线布置若采用单杆塔结构，强度及位移均无法满足规范限值要求，拟采用抵抗矩更大的格构式塔结构。垂直出线格构塔，是将独立格构塔的顶、上、中、下四层横担前后错开，俯视类似“*”形布置，使A、B、C三相导线及地线在空间上垂直布置，两回出线共用一基出线塔。

图1 某工程的110 kV双回垂直出线塔(单杆塔)

1 设计条件

1.1 输入条件

1)基本风压：Wo=0.37 kN/m2

2)站区的地震动峰值加速度值为0.20g(相应的地震基本烈度为Ⅷ度)，地震动反应谱特征周期为0.55 s。

3)极端最高气温41.8℃，极端最低气温-18.3℃。

1.2 塔架布置型式

西安北750 kV变电站工程，330 kV配电装置采用户外GIS布置，垂直出线，为配合电气布置的要求，出线构架采用独立塔式结构，单塔上两侧对称布置两回出线，或单侧布置单回出线，从上往下依次为A、B、C相。单塔上设置8个悬挑的横担，其中6个用于出线挂线，2个用于地线挂线。塔高37.5 m，挂点分别在18.0 m、25.5 m、33.0 m、37.5 m标高处。导线横担自塔柱中心线悬挑5.75 m，C相又自塔柱中心线沿出线向悬挑5.0 m，A相又自塔柱中心线背出线向悬挑5.0 m，地线横担自塔柱中心线悬挑7.25 m。330 kV垂直出线塔透视图如图2所示，立面图如图3所示。

图2 330 kV垂直出线塔透视图

图3 330 kV垂直出线塔立面图

1.3 计算荷载

330 kV GIS垂直出线塔上作用的荷载有导线拉力、风载、覆冰荷载以及地震作用和温度作用等。

导线拉力由电气专业提供，本期出线有挂2分裂LGJ-300/40导线的，也有挂4分裂LGJ-300/40导线的，导线拉力不同，远期同一回出线按挂上述两种导线的可能分别考虑。4分裂LGJ-300/40导线水平拉力30 kN，垂直拉力23 kN；2分裂LGJ-300/40导线水平拉力18 kN，垂直拉力12 kN；地线水平拉力10 kN，垂直拉力3 kN。导线及地线偏角-5°～45°，偏向远离塔柱侧。

塔架受的风载除考虑垂直于或平行于宽面的风向外，还得考虑沿对角线方向的风载，有 +X、-X、+Z、-Z、+X+Z、-X+Z、+X-Z、-X-Z共8个方向的风荷载[1]。一般塔式结构的基本自振周期T≥0.25 s，由风引起的结构振动比较明显，而且随着结构自振周期的增长，风振也随着增强，因此设计时均应考虑风振的影响[2]。DL/T 5457—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[6]中风振系数βz对于杆塔本身，当全高不超过60 m时，全高采用一个系数。

塔架受的覆冰荷载由电气专业在导线拉力中考虑。

对于比较高柔的塔式结构，风振的影响一般要大于地震的影响，但是如果结构的重量较大，又处在地震高烈度区，则地震的影响会更强烈些。因此建造在地震高烈度区(本工程地震基本烈度为Ⅷ度)的塔式结构，要充分考虑地震作用的影响，以保证结构的安全。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[4]规定，对于烈度8度以上地区的高耸结构，应计算竖向地震作用。水平及竖向地震作用均采用反应谱法计算。

对于塔式结构，由于主体结构暴露在外，受温度作用影响较直接，同时塔体纵向尺寸较大，温度效应的累计作用明显[5]。DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计技术规程》[6]规定，在计算温度作用效应时，应根据工程具体条件合理选择计算温差，本工程计算温差取△t=+50℃、△t=-40℃，在最大风环境温度条件下运行时，计算温差可取△t=+35℃、△t=-35℃进行计算。

1.4 荷载与作用的组合

330 kV 垂直出线塔采用极限状态设计法设计，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。

1)对于承载能力极限状态，塔式结构及构件应按荷载效应的基本组合进行设计。

2)对于正常使用极限状态，采用荷载的标准组合进行设计。

从导线拉力图可以看出，既要考虑仅单侧挂线，又要考虑双侧同时挂线，同时还要考虑两侧挂不同型号的导线，共有5组导线荷载组合工况需分别建模计算。每个模型的每组导线荷载组合需分别与风载、温度作用及地震作用进行承载能力极限状态荷载效应的基本组合计算和正常使用极限状态荷载效应的标准组合计算。

各模型的计算结果显示，考虑地震作用的荷载组合产生的杆件内力是没有地震作用参与的其它荷载组合产生内力的70%～80%之间，因此地震作用在本工程330 kV构架结构设计中不起控制作用。

2 格构塔的比较

330 kV GIS垂直出线构架采用格构式塔结构，从结构受力及构造要求等方面对角钢格构塔和钢管格构塔分别论述。

2.1 角钢格构塔

构架塔柱采用变截面角钢格构矩形柱，角钢主杆、角钢腹杆、节点板螺栓连接；构架横担采用变截面角钢格构四边形梁，角钢弦杆、角钢腹杆、节点板螺栓连接。横担弦杆与塔柱螺栓连接，整体为刚接，柱主杆拼接采用角钢拼接接头。角钢格构式结构连接方便，材料易于采购，生产工艺简单，效率高，缺点是风阻大，材料受压稳定各向异性，大规格材料缺乏。要设计承载较大的大型结构时需采用角钢组合截面，而且根开也需加大，大根开势必影响电气设备的布置和占地面积。另外，由于角钢回转半径较小，在大型结构中，由于斜腹杆长度较大，而斜腹杆本身受力并不大，结果材料利用率较低，解决此问题即减小构件长细比的办法是加设再分式腹杆，但设再分式腹杆会增加节点数量和用钢量。在线路铁塔中角钢格构式结构应用普遍。由于本工程中A、C相横担在出线方向又有悬挑，若采用角钢格构式结构，横担弦杆与塔柱连接节点不易处理。

2.2 钢管格构塔

构架塔柱采用变截面钢管格构矩形柱，钢管主杆、钢管腹杆，节点板螺栓连接，构架横担采用变截面钢管格构四边形梁，钢管弦杆、角钢腹杆，节点板螺栓连接。横担弦杆与塔柱螺栓连接，整体为刚接，柱主杆拼接采用法兰连接。与角钢格构式结构相比，钢管格构式结构具有以下优点：

1)构件受荷性能好。钢管构件作为构架的承载结构相对于角钢构件具有明显的优势。一是可以减小构架的风压(圆管构件体形系数比角钢几乎小一倍)；二是在截面面积相等的情况下，圆管的回转半径比角钢大20%左右；三是若用无缝钢管，其压曲系数为a类，而角钢为b类，其间差7%左右[7]。

2)结构受力明确，节点构造简单，大部分构件属于拉压杆，符合计算假定。

3)经济性好。一般来讲，钢管塔比角钢塔用钢量可降低10%～20%，对大负荷高塔使用钢管格构式结构优势更明显。

4)外型美观。由于钢管具有较好的受荷截面特性，即各个方向的截面特性相同，与塔柱非正交的横担弦杆与塔柱连接节点容易处理，结构构件数量少、截面相对较小，节间距有较大幅度的增加，使得结构布置更为简洁美观。

5)适用性较强。对于荷载大、高度大、电压等级高的构架，钢管格构式结构有更强的适用性。

6)取材方便。目前我国的各种轧制和焊接钢管的质量提什较快且渐趋稳定，供货渠道日趋通畅，钢管在其规格选择上具有更大的优势。

通过上述分析，西安北750 kV变电站工程330 kV GIS垂直出线构架采用钢管格构塔结构。

3 钢管格构塔的设计

3.1 钢管格构塔柱的腹杆形式选择

独立塔柱从受力要求上最好选用正方形截面，但本工程330 kV构架塔柱窄面方向由于受出线间隔宽度影响不能超过2.5 m，沿出线方向的宽面参考750 kV构架柱的经济根开斜率H/16(H为变截面处高度)，确定为5.0 m宽，这个宽度随着塔柱高度的增加而减小，在标高18.0 m以上保持2.5 m宽不变。

通过比较可以发现，采用2.5 m×6.0 m根开时，杆件应力比明显减小，腹杆基本是由受压构件长细比控制，杆材未充分利用；采用2.5 m×4.0 m根开时，杆件应力比明显增大，有些腹杆的应力比较大，需要加大截面。这样小根开塔柱中杆件截面较大，整个结构通透性差，感观较笨拙。因此本工程330 kV构架塔柱采用结构整体比例较协调的根开尺寸2.5 m×5.0 m。

对标高18.0 m以上塔柱截面尺寸由2.5 m×2.5 m减小到2.0 m×2.0 m，横担的截面尺寸相应减小。计算结果显示，挂导线的横担下弦杆截面、标高18.0 m以上的塔柱主杆截面均需加大一个型号，这样由减小柱截面尺寸引起的钢材量减少被加大主材截面引起的钢材量增加相抵消，而且柱顶位移相应增大到120 mm，超过了位移限值，因此塔柱标高18.0 m以上采用2.5 m×2.5 m截面尺寸。

对于单塔两回出线，本期只挂单回，远期挂两回；或者两回出线，一回挂2分裂LGJ-300/40导线，一回挂4分裂LGJ-300/40导线；或者单塔单回出线，塔柱均需承受很大的扭转作用，因此塔柱腹杆选用对称布置的十字交叉杆及“*”形杆，抗扭性能好。

十字交叉腹杆体系常用于杆件长度较短处，在塔柱几何尺寸较大时往往因长细比控制而限制杆件截面，造成材料用量增多。本工程构架塔柱窄面腹杆及标高10.5 m以上宽面腹杆采用十字交叉杆。“*”形腹杆体系对减小塔柱主杆、横杆及斜杆的长细比很有益处，与十字交叉腹杆体系相比，若塔柱尺寸相同，其各种杆件的长细比均几乎减半。其缺点是节点数量多，有的节点较复杂，横隔杆件多，但这些杆件长度均较短，故增加材料并不多。本工程构架塔柱标高10.5 m以下宽面腹杆采用“*”形杆。

3.2 钢管格构塔柱的横隔设计

钢管格构塔柱在宽面采用“*”形腹杆体系，在横杆中点有斜杆交汇，横杆水平面内必须加横隔来维持横杆在塔斜平面外的稳定。横隔的首要作用是维持塔身平面的几何不变性。对于十字交叉腹杆体系的窄面，尽管原则上没有横隔也能维持结构几何不变，但当塔的边数较多时斜杆抗塔身横截面变形的能力较弱，或塔柱变坡时横斜杆受力较大，也要用横隔增加塔身横截面的抗变形刚度。

1)横隔的布置原则

①在横杆中间有斜杆交汇点的平面，原则上均要求布置横隔。若考虑横杆在此点的抗弯刚度，则要将横杆作为拉(压)弯构件做明确计算才能保证结构的可靠性。

②在塔柱变坡处要布置横隔。因为此处平面杆件受力大，要控制其变形才能抑制非线性变形的不利影响。

③在其他情况下每隔2～3层也应设置横隔，以减少塔架平面变形的不利影响。

④斜杆有再分式腹杆处塔柱要设相应的横隔。

2)横隔在水平面内的布置原则

①将平面内每一节点连成几何不变的平面桁架。

②尽可能使横隔的计算长度减小。

3)横隔的受力计算

由于横隔一般受力较小，故在选取截面时主要根据长细比的条件加以控制，以使结构更加经济。作为塔的次要构件，横隔的长细比可控制在120～200，并要求两向长细比基本均衡，以免因单向长细比太大而产生材料浪费。故选用横隔的材料时，刚性横隔以钢管为好，柔性横隔以圆钢为好，横隔长度较短时，也可用单角钢或双角钢，角钢材料单价低，连接也较为方便。

横隔的计算尽可能按实际布置状况进行，在主体结构建模时建入，通过结构整体空间计算确定横隔杆件的真实内力。由于横隔在使用中还有自重及其他横向荷载，或者承受安装荷载，故在计算时应适当考虑横隔的弯曲次应力。

4)横隔的连接

横隔作为塔架的次要杆件，一般受力较小，因而节点受力也较小，一般采用双剪连接和单剪连接。其中主要横隔采用双剪连接较多，次要横隔采用单剪连接较多。当横隔与横斜杆共同交于塔柱上某一点时，横杆与横隔、横隔与横隔之间易发生干扰，此时应首先保证横杆的连接，其次为主横隔，最后考虑次横隔。

3.3 钢管格构塔的横担设计

横担立面为三角形布置弦杆的悬挑结构，顶底面设十字交叉腹杆。A相、C相横担分别进行了两种结构型式计算比较：

1)上弦杆从柱身到横担端部直线连接，不设折弯点，横担横断面为不相似的直角梯形。这样，横担顶面交叉腹杆不在同一平面，互不连接，腹杆长细比大。如图4所示。

图4 A相、C相横担上弦为直杆

2)在柱身处先设置类似三棱柱的格构支座，从支座到横担端部直线连接，上弦杆需要在支座处弯折，如图5所示。这样，横担顶面交叉腹杆在同一平面，交叉点可连接，腹杆平面外的长细比计算采用与角钢肢边平行轴的回转半径ix[8]，而图4中采用的是角钢最小回转半径iv，ix基本是iv的1.5倍，腹杆长细比约为图4中对应杆件长细比的2/3，因此顶面腹杆截面减小。横担上弦折杆所在平面的竖腹杆及斜腹杆增大，总体钢材量减少0.2%。但整个结构造型要比图4的型式显得笨重，因此A、C相横担采用图4的结构型式。

图5 A相、C相横担上弦为折杆

4 节点设计

节点的强度、稳定计算及构造设计，是整个设计工作中的一个重要环节。连接节点的设计实际上是结构模型中杆端连接假定实现的过程。设计是否合理，对保证实际结构与计算模型是否吻合、杆件能否按要求明确传力以及结构整体性起着至关重要的作用。

节点计算及构造设计时需遵循如下原则：

①节点处内力传递简捷明确，安全可靠，尽量减少偏心引起的附加弯矩。

②确保连接节点有足够的强度和刚度。

③节点加工简单、施工安装方便。

根据以往工程构架钢材的统计结果显示，节点板钢材占构架钢材总重的比例约为40%～50%，因此节点计算、节点板的合理选用对构架的外观和用钢量有很大的影响。

4.1 塔架柱节点型式：

塔架柱钢管主杆采用法兰接长，法兰连接属于部分刚接节点。受力较大的下段柱法兰采用刚性法兰，受力较小的上段柱法兰采用柔性法兰。柱腹杆钢管与主杆钢管的连接方式有管管相贯线焊接，U形插板双剪连接，插板单剪连接等。

4.2 塔架柱与横担连接节点设计

塔架柱与横担整体为刚性连接，立面为三角形的横担上下弦杆与柱通过节点板用普通螺栓铰接连接。柱节点处设环向板，一方面作为柱水平腹杆、横隔、横担弦杆及腹杆的连接板，另一方面加强柱主杆此处的抗扭刚度。对于A相、C相横担在水平面内与柱沿出线方向轴线间的夹角为42°，B相及地线横担为90°，采用环向板便于与各个方向的横担弦杆相连[9]。横担斜弦杆与柱通过竖向节点板连接，环向板作为此节点板的劲板起加强侧向刚度的作用。

5 结语

330 kV GIS垂直出线采用抵抗矩更大的格构式塔结构，是将独立格构塔的顶、上、中、下四层横担前后错开，俯视类似“*”形布置。垂直出线格构塔横担与塔柱采用便于节点连接的钢管格构式结构，塔柱采用钢管主杆、钢管腹杆，节点板螺栓连接，腹杆采用抗扭性能好的十字交叉杆或“*”形杆，端部设槽型插板与节点板单剪连接。横担采用钢管弦杆、角钢腹杆、节点板螺栓连接，横担立面内弦杆三角形布置。A、C相横担上弦杆从柱身到横担端部直线连接，不设折弯点，横担横断面为不相似的直角梯形，横担顶面交叉腹杆不在同一平面，互不连接，底面腹杆十字交叉布置，交叉处螺栓连接；B相及地线横担顶底面腹杆十字交叉布置，交叉处螺栓连接。横担与塔架柱连接节点处设环向板，便于与各个方向的横担弦杆相连。