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摘要：在电力行业中，铁塔是高压输电线路中最常用的输电设施，能架空高压输电线并起保护和支撑作用。本文主要对高压输电线路铁塔结构设计进行分析，简单的综述了我国高压输电线路的铁塔结构设计。
关键词：高压输电线路；铁塔结构设计
前言
高压输电线路铁塔作为架空高压输电线路的重要组成部分，其结构的合理设计是现代电力系统运行与发展的重要保障。随着我国电力事业的快速发展，对铁塔的结构提出了更高的要求。
在输电线路铁塔内力分析时,均将杆系结点作为铰结点。本节所述塔头铰结点的设置,是指两铰拱或三铰拱力学模型的选择及构造模式。如:酒杯型塔头K节点,从力学模型看是纯铰,将其处理成结实的刚性节点,虽不会影响结构的正常工作,但浪费了不少钢材。
2导线横担下平面斜材布置
导线横担下平面斜材常见的布置形式为交叉斜材(双斜材)式,且交叉斜材布置到导线横担根部时,大多连接到导线横担的主材上。在纵向荷载作用下,其连接部位的主材或节点板极易变形。为此,常见设计者在这一部位节点上,增设了1根短角钢,以增强这一部位抵抗纵向荷载的能力。虽然这一办法能解决问题,也没有因此引发事故。为使设计尽可能合理,满足杆系传力的要求,只需设计者将横担下平面交叉斜材杆系布置到导线横担根部时,与塔身横隔面侧面横材的中点相连接,使导线纵向荷载通过塔身横隔材直接传递到塔身上去,就可解决主材和节点板弯曲变形问题。
3塔腿平连杆的使用
80年代中期,我国对塔腿结构加设平连杆问题进行了专题研究和试验分析,推求出近似的实用公式,并写入SDGJ94—90《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》。此后,作为1个增强塔腿结构承载能力的措施被推广应用。近年来,在设计和真型塔试验中发现,塔腿结构加设平连杆后,力学模型发生了从静定到超静定的变化和仅靠80年代中期推求出的近似实用公式,已不能满足内力分析的需要。并考虑1997年4月在真型塔试验中,曾因平连杆加工负误差偏大,出现将塔腿主材拉弯,不能满足试验荷载要求的情况。故平连杆的使用直接影响到杆系的布置,甚至影响到相邻杆的工作状态。建议在新版《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中指出:当塔腿采用平连杆时,应作为杆件与塔体同时计算。
4派生结构的杆系布置
近年来,由于城网建设的需要,同塔多回路并架已广泛使用。如某工程真型塔试验时,曾因110kV横担受力后引起试验塔倒塔。经专家分析,一致认为与110kV横担连接的塔身节间是K形三分段杆系,110kV横担吊杆直接拉在K形三分段辅助材支撑的主材小节间点上,塔身主材在110kV横担的拉拽下,位移过大,塔身主材不能在原设计条件下正常工作,而导致试验失败。只要将原K形斜材杆系中的塔身主材三分段下端的小节间与110kV横担连接方式,改为塔身节间与110kV横担连接的小节间,脱离原K形斜材杆系,独立自成一个节间,使杆系传力均由受力材传递,节与节之间互不干扰,就可以使结构正常工作。该设计按专家意见修改后,顺利通过了试验。这个实例证明,派生结构应认真注意杆系布置的合理性,才能保证铁塔的正常工作。
5曲臂传递纵向荷载的问题
自80年代中期以来,国内设计的500kV酒杯型直线塔,大都对塔头部位的上下曲臂采取了外侧面主材取直的作法。这样不仅从外观上看,塔型显得利落、美观,而且纵向荷载传力路线直捷,自是最佳方案。但此时传递纵向荷载的任务,还是由曲臂内外侧斜材共同担负。这是由于力学模型是理想的模式,内侧斜材与K节点实际构造没有做到符合力学模型的要求,传递它应担负的纵向荷载的任务。
因此,需要设计者自己设定传力面。通常做法是设定外侧面为100%传力面,内侧斜材从杆系布置、节点构造处理,使它不再传递纵向荷载。只是设计者要注意的是,自己一定要把传力路线搞清楚,且设定的传力面及构造处理要能把力传走。设计者一定要把传力路线搞清楚,且杆系布置、构造处理则是最基本的要求。
6塔身斜材的布置
塔身斜材布置形式,一直是设计者关注的课题。笔者认为:制约塔身斜材的基本条件是斜材对外荷载抵抗力矩和计算长度的选择。其中,斜材对外荷载抵抗力矩的大小,即斜材和水平面的夹角大小,将直接影响到该节间主材分段及主材选材。从国内外科研成果以及工程设计实践经验看,塔身斜材和水平面的夹角取40°~50°为宜。当然,塔身斜材的布置形式,还和塔身的宽度有关,近些年笔者看到有的工程新设计的塔身斜材布置,全是3.0m1个节间、6.0m1个分段,有的塔身斜材和水平面的夹角只有30°左右,杆系布置几成网状。似是考虑3.0m1个梯级接腿的要求,但未能综合考虑优化杆系布置、充分发挥塔身斜材的承载能力。在塔型选型时,要分析控制选材的条件,塔身主材节间分段情况、主材计算长度,以及不同的接腿配置不同的塔身等多因素,进行优化组合。
另外塔身斜材布置的形式,外荷载的大小,几何尺寸大小,材料截面的性质,是选择单斜材,还是双斜材,还是再分式双斜材,是选择交叉式斜材,还是正K形布置斜材,或是倒K形布置斜材,以及在什么部位选择什么布置形式等,都要认真比较选择。
7大坡度塔身
为减少基础作用力,降低基础材料耗量,500kV单回、大负荷塔,曾使用过不少大坡度塔。钢管塔为宽塔身、大坡度塔身展示了一个更加美好的前景,塔身主材、
8偏心引出的思考
8.1不同规格主材接头的偏心
40~50年代,曾为解决塔身主材间的偏心问题,采用了上下主材搭接接头的形式。至于塔身主材自上而下有规律、逐递次的增大规格,段与段的主材偏心问题,则一般仅在10mm左右,由此出现的附加弯矩,可忽略不计。若塔身上段主材由单角钢接下段主材双角钢,则段与段的主材重心线应衔接在一起。
8.2单包铁接头引起的主材力线的偏心
为消除单包铁接头因偏心产生的附加弯矩,导致邻近辅助性杆件需按相邻主材内力的3%进行选材的弊端,采用双包铁已得到广大设计人员的普遍认同。由于主材相对于相邻的辅助材而言,近似于连续梁,辅助材则相当于支点,故主材由于单包接头出现附加弯矩,相邻支点的反力比其他支点的反力就大了1.5倍,也就是说辅助材的内力大了1.5倍。常规辅助性杆件选材按相邻主材内力的2%进行选材,此时则应按相邻主材内力的3%进行选材。
8.3主材与斜材连接的偏心
角钢塔塔身主材与斜材的准线是否交于一点，在80年代中期,我国在500kV输电线路单角钢铁塔结构设计中,进行了研究和应用,斜材的准线交于主材外皮、交于主材双排准线的外排准线上,2种塔型的真型塔试验和应用效果均良好。其对杆系传力、力学模型的建立和内力分析等诸方面的影响均甚小,可忽略不计。
8.4横隔面材连接上的偏心
对于横隔斜材与横材背对背连接,在真型塔试验中,出现横隔面斜材被压曲的现象。可用横隔斜材背向下放置的解决方法,但往往要通过节点板进行连接,钢材要多用一些。若将横隔斜材改为十字组合截面,不仅可以减少偏心,还可能省了节点板,甚至还能节省斜材的钢材耗量。
9、拉线塔
9.1拉线塔主柱的计算挠度
主柱的计算挠度对主柱的选材有很大的影响,以往计算柱中挠度时,国内各设计院考虑的影响因素组合也不尽相同。80年代末,有关专家就曾指出:取自重、风荷载引起的挠度和2L/1 000初挠度进行组合,不用再考虑螺栓滑动变位引起的挠度,是可以满足要求的。至于立塔后个别主柱出现弯曲,经北京送变电公司现场试验,只要地面组塔垫的平、螺栓紧固到位,主柱顺直,立起塔来主柱就是直的。
9.2拉线塔的铰
我国高压输电线路拉线塔型,都是由拉线系统和中心受压柱组成的塔架体系,横担与主柱、主柱与基础均为铰接。只有拉猫塔的塔头与塔身连成一体,主柱与基础为铰接,区别于其他拉线塔型。由于拉线塔在外荷载作用下变位较大,且铰又是可转动的铰。因此,处理好铰的构造相当重要。
关键词：高压输电线路；铁塔结构设计
前言
高压输电线路铁塔作为架空高压输电线路的重要组成部分，其结构的合理设计是现代电力系统运行与发展的重要保障。随着我国电力事业的快速发展，对铁塔的结构提出了更高的要求。
一、高压输电线路铁塔设计
1塔头铰结点的设置在输电线路铁塔内力分析时,均将杆系结点作为铰结点。本节所述塔头铰结点的设置,是指两铰拱或三铰拱力学模型的选择及构造模式。如:酒杯型塔头K节点,从力学模型看是纯铰,将其处理成结实的刚性节点,虽不会影响结构的正常工作,但浪费了不少钢材。
2导线横担下平面斜材布置
导线横担下平面斜材常见的布置形式为交叉斜材(双斜材)式,且交叉斜材布置到导线横担根部时,大多连接到导线横担的主材上。在纵向荷载作用下,其连接部位的主材或节点板极易变形。为此,常见设计者在这一部位节点上,增设了1根短角钢,以增强这一部位抵抗纵向荷载的能力。虽然这一办法能解决问题,也没有因此引发事故。为使设计尽可能合理,满足杆系传力的要求,只需设计者将横担下平面交叉斜材杆系布置到导线横担根部时,与塔身横隔面侧面横材的中点相连接,使导线纵向荷载通过塔身横隔材直接传递到塔身上去,就可解决主材和节点板弯曲变形问题。
3塔腿平连杆的使用
80年代中期,我国对塔腿结构加设平连杆问题进行了专题研究和试验分析,推求出近似的实用公式,并写入SDGJ94—90《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》。此后,作为1个增强塔腿结构承载能力的措施被推广应用。近年来,在设计和真型塔试验中发现,塔腿结构加设平连杆后,力学模型发生了从静定到超静定的变化和仅靠80年代中期推求出的近似实用公式,已不能满足内力分析的需要。并考虑1997年4月在真型塔试验中,曾因平连杆加工负误差偏大,出现将塔腿主材拉弯,不能满足试验荷载要求的情况。故平连杆的使用直接影响到杆系的布置,甚至影响到相邻杆的工作状态。建议在新版《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中指出:当塔腿采用平连杆时,应作为杆件与塔体同时计算。
4派生结构的杆系布置
近年来,由于城网建设的需要,同塔多回路并架已广泛使用。如某工程真型塔试验时,曾因110kV横担受力后引起试验塔倒塔。经专家分析,一致认为与110kV横担连接的塔身节间是K形三分段杆系,110kV横担吊杆直接拉在K形三分段辅助材支撑的主材小节间点上,塔身主材在110kV横担的拉拽下,位移过大,塔身主材不能在原设计条件下正常工作,而导致试验失败。只要将原K形斜材杆系中的塔身主材三分段下端的小节间与110kV横担连接方式,改为塔身节间与110kV横担连接的小节间,脱离原K形斜材杆系,独立自成一个节间,使杆系传力均由受力材传递,节与节之间互不干扰,就可以使结构正常工作。该设计按专家意见修改后,顺利通过了试验。这个实例证明,派生结构应认真注意杆系布置的合理性,才能保证铁塔的正常工作。
5曲臂传递纵向荷载的问题
自80年代中期以来,国内设计的500kV酒杯型直线塔,大都对塔头部位的上下曲臂采取了外侧面主材取直的作法。这样不仅从外观上看,塔型显得利落、美观,而且纵向荷载传力路线直捷,自是最佳方案。但此时传递纵向荷载的任务,还是由曲臂内外侧斜材共同担负。这是由于力学模型是理想的模式,内侧斜材与K节点实际构造没有做到符合力学模型的要求,传递它应担负的纵向荷载的任务。
因此,需要设计者自己设定传力面。通常做法是设定外侧面为100%传力面,内侧斜材从杆系布置、节点构造处理,使它不再传递纵向荷载。只是设计者要注意的是,自己一定要把传力路线搞清楚,且设定的传力面及构造处理要能把力传走。设计者一定要把传力路线搞清楚,且杆系布置、构造处理则是最基本的要求。
6塔身斜材的布置
塔身斜材布置形式,一直是设计者关注的课题。笔者认为:制约塔身斜材的基本条件是斜材对外荷载抵抗力矩和计算长度的选择。其中,斜材对外荷载抵抗力矩的大小,即斜材和水平面的夹角大小,将直接影响到该节间主材分段及主材选材。从国内外科研成果以及工程设计实践经验看,塔身斜材和水平面的夹角取40°~50°为宜。当然,塔身斜材的布置形式,还和塔身的宽度有关,近些年笔者看到有的工程新设计的塔身斜材布置,全是3.0m1个节间、6.0m1个分段,有的塔身斜材和水平面的夹角只有30°左右,杆系布置几成网状。似是考虑3.0m1个梯级接腿的要求,但未能综合考虑优化杆系布置、充分发挥塔身斜材的承载能力。在塔型选型时,要分析控制选材的条件,塔身主材节间分段情况、主材计算长度,以及不同的接腿配置不同的塔身等多因素,进行优化组合。
另外塔身斜材布置的形式,外荷载的大小,几何尺寸大小,材料截面的性质,是选择单斜材,还是双斜材,还是再分式双斜材,是选择交叉式斜材,还是正K形布置斜材,或是倒K形布置斜材,以及在什么部位选择什么布置形式等,都要认真比较选择。
7大坡度塔身
为减少基础作用力,降低基础材料耗量,500kV单回、大负荷塔,曾使用过不少大坡度塔。钢管塔为宽塔身、大坡度塔身展示了一个更加美好的前景,塔身主材、
摘自：学术论文网www.udooo.com
斜材均用钢管,做成十字拉条的构造模式,不仅力学模式合理、构造形式可行,还有良好的视觉效果。从近期设计的高压同塔双回钢管塔,通过全部试验工况及超载试验来看,是值得设计者在大负荷塔型选型中参考的。只不过钢管塔的工程造价相对要高些,故能用角钢塔解决的问题,还是尽量使用角钢塔。8偏心引出的思考
8.1不同规格主材接头的偏心
40~50年代,曾为解决塔身主材间的偏心问题,采用了上下主材搭接接头的形式。至于塔身主材自上而下有规律、逐递次的增大规格,段与段的主材偏心问题,则一般仅在10mm左右,由此出现的附加弯矩,可忽略不计。若塔身上段主材由单角钢接下段主材双角钢,则段与段的主材重心线应衔接在一起。
8.2单包铁接头引起的主材力线的偏心
为消除单包铁接头因偏心产生的附加弯矩,导致邻近辅助性杆件需按相邻主材内力的3%进行选材的弊端,采用双包铁已得到广大设计人员的普遍认同。由于主材相对于相邻的辅助材而言,近似于连续梁,辅助材则相当于支点,故主材由于单包接头出现附加弯矩,相邻支点的反力比其他支点的反力就大了1.5倍,也就是说辅助材的内力大了1.5倍。常规辅助性杆件选材按相邻主材内力的2%进行选材,此时则应按相邻主材内力的3%进行选材。
8.3主材与斜材连接的偏心
角钢塔塔身主材与斜材的准线是否交于一点，在80年代中期,我国在500kV输电线路单角钢铁塔结构设计中,进行了研究和应用,斜材的准线交于主材外皮、交于主材双排准线的外排准线上,2种塔型的真型塔试验和应用效果均良好。其对杆系传力、力学模型的建立和内力分析等诸方面的影响均甚小,可忽略不计。
8.4横隔面材连接上的偏心
对于横隔斜材与横材背对背连接,在真型塔试验中,出现横隔面斜材被压曲的现象。可用横隔斜材背向下放置的解决方法,但往往要通过节点板进行连接,钢材要多用一些。若将横隔斜材改为十字组合截面,不仅可以减少偏心,还可能省了节点板,甚至还能节省斜材的钢材耗量。
9、拉线塔
9.1拉线塔主柱的计算挠度
主柱的计算挠度对主柱的选材有很大的影响,以往计算柱中挠度时,国内各设计院考虑的影响因素组合也不尽相同。80年代末,有关专家就曾指出:取自重、风荷载引起的挠度和2L/1 000初挠度进行组合,不用再考虑螺栓滑动变位引起的挠度,是可以满足要求的。至于立塔后个别主柱出现弯曲,经北京送变电公司现场试验,只要地面组塔垫的平、螺栓紧固到位,主柱顺直,立起塔来主柱就是直的。
9.2拉线塔的铰
我国高压输电线路拉线塔型,都是由拉线系统和中心受压柱组成的塔架体系,横担与主柱、主柱与基础均为铰接。只有拉猫塔的塔头与塔身连成一体,主柱与基础为铰接,区别于其他拉线塔型。由于拉线塔在外荷载作用下变位较大,且铰又是可转动的铰。因此,处理好铰的构造相当重要。