基于高压输电线路铁塔结构设计分析研究

王信

摘要：本文主要就塔身坡度、传力面的设定、杆系传力对结点构造的影响、塔身斜材布置和分段模式间的选择以及横隔面杆件布置等方面分析了高压输电线路铁塔结构设计方面的一些经验、看法和常被忽略的问题，可供同行参考借鉴。
关键词：输电线路； 铁塔结构； 设计； 分析；
一、塔头铰结点的设置分析研究
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。又如：有些线路工程，直线塔开始使用中相V串、三铰拱塔头。但有的塔在中间铰部位下，又加设了平连杆。三铰拱在国外输电线路铁塔结构设计中，已早有应用，如美国500 kV直线塔、南非400 kV直线塔，都大范围使用了三铰拱塔头，且中间铰部位下均未加设平连杆。建议我国在修订《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》时，在基本规定一节中应强调指出，杆塔结构加工图必须与内力计算图保持一致。不得轻易改动结构布置，或添加未经计算和可能影响受力的杆件。
二、导线横担下平面斜材布置分析研究
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。
三、塔腿平连杆的使用分析研究
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。
四、派生结构的杆系布置分析研究
由于城网建设的需要，同塔多回路并架已广泛使用。经专家分析，一致认为与110 kV横担连接的塔身节间是K形三分段杆系，110 kV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110 kV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，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110 kV横担连接方式，改为塔身节间与110 kV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。
五、曲臂传递纵向荷载的问题分析研究
国内设计的500 kV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。
六、塔身斜材的布置分析研究
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，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。
七、大坡度塔身分析研究
使用的宽身、大坡度塔身塔，均存在着不同程度的塔身斜材弯曲问题，是设计者应当解决也可以解决的问题，以下就此探讨了几个解决办法： (1)在塔身主材和节点板之间或节点板和塔身斜材之间采用加斜垫的办法(加工难度较大)；(2)塔身主材若是单角钢，可采用设置双排螺栓，靠主材肢端的螺栓以保证主材轧制边为准，制弯节点板的办法；(3)若是四角钢组合成十字断面，可直接采用制弯节点板的办法;若是双角钢组合十字断面，则只能使用前2种办法，使节点板和塔身斜材置于一个平面内共同工作。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、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。
八、偏心引出的思考
1、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。
2、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。
九、拉线塔分析研究
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2 L/ 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。  
2、拉线塔的铰。我国500 kV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。一是柱头的铰。70～80年代，我国第1批500 kV输电线路的拉线塔，柱头铰均为单剪穿钉铰。施工中发现有的塔连接穿钉的节点板焊接变形过大，穿钉不易紧到位，呈歪斜状态。后在新拉V塔设计中。将单剪改为双剪，实施至今，状况良好。二是柱脚的铰。我国500 kV输电线路拉线塔，柱脚铰大都做成圆锅型铰。为防止主柱滑出锅顶，有的在基础锅顶加焊一段圆钢，在主柱锅顶打孔;有的在基础锅顶、主柱锅顶打孔后，加拧一个螺栓。
3、拉线塔的应用前景
单回500 kV输电线路使用拉线塔己积累了不少经验，可拉线悬索塔却从未在工程中得到应用，而拉线悬索塔是所有塔型中受力最合理、指标最经济的塔型。