浅析输电铁塔结构加固方法

黄晓予 阮筱菲 陈俊

（1 国网福建省电力有限公司经济技术研究院 福建福州 350013 2 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

福建省地处东南沿海，自然灾害频发，尤其以台风为盛，屡次对福建电网造成重大冲击。台风登陆后，线路可能因风偏、外力、绝缘子串断裂、断线、杆塔损坏等发生跳闸，较之其他故障原因，杆塔损坏抢修时间长、成本高，对电网安全影响严重，故提高杆塔的抗风能力对于输电线路稳定运行意义重大。

对于运行多年的输电塔，拆除重建和原位加固均能提高抗风能力，但是前者投资高、工期长、停电时间久，后者相比更具优势。

对输电塔上部结构的原位加固方法主要分为2 大类：①增加辅助支撑；②增大截面法。本文将结合2016 年莫兰蒂台风中倒塔的厦门220 kV 李西线受损塔型，对比分析2 种加固方法的特性。

1 分析对象

2016 年9 月15 日，1614 号台风莫兰蒂登陆厦门，造成220 kV 李西线5 基铁塔倒塌、3 基塔头严重破坏，并伴随导线、地线、光缆断裂。受损塔型为ZM1 和ZM2，执行《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ 94—1990）规范，重现期15 a，设计风速35 m/s（15 a 一遇，离地高度15 m）。

池金明等［1］对上述塔型进行了倒塔分析，正常设计风速下，杆塔应力比均小于1.0，满足承载力要求；在莫兰蒂台风V=46.8 m/s（3 s 平均风速）作用下，杆塔塔身多段应力比超限，主要分布在塔头顶部、变坡处、塔腿隔面附件位置。

为提高该线路的抗台风能力，拟对ZM2 塔型进行加固处理。考虑受台风影响，将输入条件中的基本风速放大至V=37 m/s（离地10 m 高，10 min 平均风速），该风速相当于莫兰蒂台风V=46.8 m/s（3 s 平均风速）。由于分析对象为现存输电塔，因此不考虑安装工况。选取具有代表性的超限主材，荷载、应力比及其他参数见表1。

表1 原始ZM2 主材参数

结果显示塔身主材均为稳定控制，应力比达到1.5～3.2，超限严重，无法满足承载力要求，即无法抵御相当于V=46.8 m/s的莫兰蒂台风荷载。下文将采用2 种方式对其进行加固处理，分析加固效果。

2 增加辅助支撑

钢结构构件的极限状态有稳定控制和强度控制2 种，塔身主材多为稳定控制。由于稳定系数与计算长度成反相关，与失稳方向的回转半径成正相关，通过增加构件的辅助支撑来减小计算长度或者增加回转半径，均可提高构件的稳定承载力。

如图1 塔身主材两节间，增加辅助材成四节间，计算长度减半。如图2 横隔水平材加固前绕角钢平行轴失稳（计算长度为塔身宽），增加侧向支撑后，破坏模式为绕角钢最小轴的失稳（计算长度为塔身宽度的1/2）。

图1 减小计算长度

图2 改变失稳方向

增设的辅助材规格由平衡法确定，并满足长细比的限值要求。根据 《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486—2020），新辅助材在其支撑点所提供的支撑力占被支撑材最大轴压力的百分数p，按照式（1）计算。

式中：λ 为被支撑材的长细比，当受力材之间的夹角＜25°时，辅助材在支撑点所提供的支撑力应予以适当提高或通过试验确定。

按照上述方式，对ZM2 塔身主材进行改造，加固后的应力比及其他参数见表2。对比表1 原始参数，分析杆件5～8，失稳方向改为平行轴后，增加了构件的回转半径，应力比降低6%；分析杆件1～4，改变失稳方向的同时，降低计算长度，使稳定系数提高17%～125%，应力比降低34%～54%，加固效果明显。主要原因是改变失稳方向和降低计算长度均可减小长细比，提高稳定系数，进而降低稳定控制时的应力比。但是主材应力比大于1.0，仍然无法满足基本风速为V=37 m/s 时的稳定承载力要求。

表2 增加辅助支撑加固ZM2 主材参数

3 增大截面法

在需加固主材（单角钢）的外侧对角方向拼接新角钢，形成双轴对称的十字形组合截面，4 根主材横截面示意见图3。双拼角钢之间采用十字形填板螺栓连接，或者采用正交错开的一字型填板螺栓连接（图3 未示出）。根据平面内刚度与平面外等强原则，且为了满足双轴对称，新角钢的规格保持与原主材一致。

图3 增大截面法

对ZM2 塔身主材采用增大截面法进行加固，在原主材外侧增设相同规格的角钢，组成十字形双拼角钢。同样输入V=37 m/s 的基本风速，荷载工况同原始模型，选取相同主材杆件进行对比，加固后的应力比及其他参数见表3，可知双拼角钢横截面积翻倍后，失稳方向和计算长度不变的情况下，尽管轴压力由于自重而增加，但是稳定系数提高21%～92%，应力比降低51%～74%，加固效果十分明显，应力比也满足承载力要求。

表3 增大截面法加固ZM2 主材参数

以设计风速衡量加固效果：从改造前的V=33 m/s（离地10 m高），提高到V=37 m/s，幅度约12%；以设计风压衡量，能抵抗的风压提高幅度约25%；能够承受2016 年莫兰蒂台风瞬时风速V=46.8 m/s（时距3 s）的大风荷载，即增大截面法加固显著提升了杆塔的抗风能力。

相比之下，增大截面法较增加辅助支撑更具优势，因此建议采用前者对现存杆塔进行改造加固，或叠加使用。

4 施工工艺

对于增加辅助支撑法，在主材或其他需加固杆件对应位置增设螺栓孔，比大截面法加固组装示意图安装新辅助材即可。对于增大截面法，工艺相对复杂。增大截面法加固组装示意图如图4 所示，操作流程如下。

图4 增大截面法加固组装示意图

（1）在原主材角钢21○与外拼接角钢22○的双肢上新增螺栓孔，孔径相同，位置对齐，且与原主材的横撑接头错开。

（2）利用填板24○及紧固螺栓25○将原主材角钢和外拼接角钢沿对角固定，如A-A 剖面所示。

（3）在外拼角钢的变断面接头处采用十字形节点板23○与原主材螺栓连接，最终加固段整体组成十字形截面。

根据杆塔设计相关标准，需满足：①填板间距L 不应超过40 ri（ri 为单根角钢的最小回转半径），且节间长度不宜大于3.0 m；②拼接而成的十字形组合构件，其两个侧向支撑点之间的填板数量不得少于2 个，且沿杆件长度均匀交错布置；③外拼接加固角钢变断面连接处应和原主材接头处完全错开，且保留一定接头距离。

厦门220 kV 李西线增大截面法加固之后的现场图片如图5，新旧角钢之间采用正交错开的一字型填板螺栓连接，外拼新角钢接头处为十字形节点板，且与原主材接头错开，至今运行良好。

图5 李西线主材加固现场

5 结论

（1）增设辅助支撑可减小构件的计算长度，改变失稳方向可增加回转半径，两者均提高了构件的稳定承载力，但是对于ZM2 塔型，仍无法抵抗莫兰蒂台风的瞬时风载。

（2）增大截面法通过填板及螺栓将原单角钢组成十字形双拼角钢，ZM2 塔型部分主材应力相比加固前下降幅度达50%以上，可以抵抗的基本风速提高幅度达12%，显著提高了杆塔的抗风能力。

（3）增大截面法的加固效果较增加辅助支撑更具优势，加固后可抵抗莫兰蒂台风V=46.8 m/s 的瞬时风载，建议采用此法对运行多年的杆塔进行原位加固。

（4）增大截面法加固的施工工艺相对复杂，同时需满足填板间距、数量及接头错开的要求，才能保证良好的加固效果。