架空輸電線路自立式模塊化臨時桿塔優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

夏冬生

北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100055

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，架空輸電線路越來越難以滿足市容市貌的規(guī)劃要求。電力部門經(jīng)常需要配合市政建設(shè)，公路、鐵路建設(shè)，進(jìn)行輸電線路的遷移改造工程。常規(guī)遷移改造方法是拆除舊塔，然后順線路方向前后移動一小段距離，或者在橫向線路方向偏移一段距離，找到新的塔位，重新樹立一座與原來一樣的輸電鐵塔，以避開新建道路或其他工程建設(shè)[1]。在類似的架空輸電線路遷改的倒電方案和停電方案設(shè)計(jì)中，新建的桿塔是臨時設(shè)備，待線路建設(shè)完成后，一般需拆除。而且，由于每條線塔設(shè)計(jì)條件不一樣，拆除的臨時桿塔很難有機(jī)會再利用，造成極大的資源浪費(fèi)[2]。

文章研究出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化組裝的臨時桿塔，這種模塊化臨時桿塔能夠根據(jù)電壓等級及高度需要進(jìn)行模塊化的自由組裝，同一套模塊化臨時桿塔可滿足不同呼高的輸電線路遷移改造的需求。這一臨時桿塔具有模塊化組裝、自由拆卸、重復(fù)利用、通用性強(qiáng)、無須再生產(chǎn)加工、隨用隨組裝的特點(diǎn)，拆卸后不會報廢，在線路建設(shè)完后再回庫，以備下次利用，避免塔材浪費(fèi)。

1 塔型規(guī)劃

臨時桿塔設(shè)計(jì)條件：設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為29 m/s（離地10 mm），覆冰厚度為10 mm，導(dǎo)線為JL/G1A-400/35（安全系數(shù)為2.5），地線為JLB20-100（安全系數(shù)為3.0），水平檔距為450 m，垂直檔距為700 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)為0～30°[3]。

導(dǎo)線排列方式：根據(jù)不同掛線方式采用耐張串垂直排列、懸垂串垂直排列、耐張串水平排列三種形式。塔頭布置時需要兼顧臨時塔，根據(jù)臨時塔的掛線方式選取合適的塔頭布置方式。

2 桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

桿塔結(jié)構(gòu)是一種對傳統(tǒng)桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。大型鐵塔鋼耗大，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義更大。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在滿足電氣要求的前提下，在保證桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的同時，降低大型鐵塔桿塔造價。桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要遵循如下原則：根據(jù)電氣參數(shù)確定基本塔型；從材料的角度選用鋼管、高強(qiáng)鋼等；為了減小線路走廊寬度，考慮緊湊型的塔型布置，針對不同塔型優(yōu)化設(shè)計(jì)坡度、節(jié)間等[4]。

2.1 桿塔工況計(jì)算

設(shè)計(jì)荷載工況組合時，考慮大風(fēng)工況、覆冰工況、不均勻冰工況和安裝工況，不考慮斷線工況。其中，直線塔有26 個工況，耐張塔按照導(dǎo)線排列方式不同有72 個工況，臨時塔共有170 個計(jì)算工況[4]。

2.2 桿塔優(yōu)化

2.2.1 塔頭優(yōu)化

臨時桿塔應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化組裝，具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，容易安裝、可自由拆卸。為了方便制圖、加工及組裝，臨時塔各層橫擔(dān)做成尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)模塊，如圖1 所示；變坡以上塔身中柱分為4 段，其中3 段也做成尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)模塊，如圖2 所示。

圖1 橫擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)模塊

圖2 塔身中柱標(biāo)準(zhǔn)模塊

2.2.2 塔身坡度優(yōu)化

鐵塔塔身的坡度是影響整塔重量的最重要的因素之一，它直接影響主材和斜材的長度及規(guī)格[5]。鐵塔下開口（即鐵塔根開）對整塔重量和基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著較大的控制作用。根據(jù)對實(shí)際工程中鐵塔的統(tǒng)計(jì)，塔高與根開的比值一般在4～7；單回路直線塔塔身坡度一般為7%～14%；單回路轉(zhuǎn)角塔塔身坡度一般為9%～16%；雙回路直線塔塔身坡度一般為9%～14%[6]。塔身根開增大，可使主材受力降低，材料規(guī)格減小，塔身斜材受力也變小?；A(chǔ)作用力隨根開增大而減小，可使基礎(chǔ)造價降低。但斜材與輔助材幾何尺寸增大，材料構(gòu)造布置也變得復(fù)雜，又使塔重相應(yīng)增加。因此在確定最終方案時，應(yīng)綜合考慮塔重及全線塔總重、基礎(chǔ)造價等因素，對塔身坡度和根開進(jìn)行方案比較[7]。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行鐵塔結(jié)構(gòu)布置和內(nèi)力分析的時候，應(yīng)根據(jù)電氣荷載條件、氣象條件和鐵塔形式，找出合適的坡度和根開，使塔重指標(biāo)達(dá)到最小，并綜合考慮鐵塔單基指標(biāo)、基礎(chǔ)工程量、占地面積、植被等，力求達(dá)到最佳的綜合經(jīng)濟(jì)效益[8]。

臨時塔上段為直塔身，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)確定塔身中柱的寬度，即塔頂開口尺寸。以鋼管塔為例，根據(jù)不同的開口值，計(jì)算得到臨時塔（36 m 呼高）的塔重（kg），如表1 所示?？梢钥闯?，當(dāng)塔頂開口尺寸為1 300 mm 時，臨時塔塔重最輕，基礎(chǔ)作用力相對適中。

表1 臨時桿塔LZJ1 頂部開口的優(yōu)化結(jié)果

2.2.3 根開優(yōu)化

在確定頂部開口后，對臨時塔的腰部寬度和根開進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯?，當(dāng)塔身坡度為0.093，即根開為7.6 m 時，鐵塔計(jì)算重量最優(yōu)，為18 197 kg。隨著根開的繼續(xù)加大，塔重指標(biāo)反而升高，這是由于根開繼續(xù)加大時，斜材長度增加，導(dǎo)致重量增加量超過了主材內(nèi)力減小而引起的塔重減小量。因此，選取的臨時塔根開為7.6 m。

表2 臨時桿塔LZJ1 下段塔身坡度及腿部根開的優(yōu)化結(jié)果

2.2.4 塔身斜材優(yōu)化

考慮安裝、運(yùn)輸方便，同時減低塔重，臨時塔變坡以下塔身交叉斜材采用拉桿結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。拉桿如圖虛線所示。

圖3 臨時塔塔身斜材拉桿布置圖

2.2.5 塔身隔面優(yōu)化

橫隔面設(shè)置須滿足《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154—2012）中對鐵塔的構(gòu)造要求：在鐵塔塔身變坡處、直接受扭力的斷面處和塔頂及塔腿頂部斷面處必須設(shè)置橫隔面。在塔身坡度不變段內(nèi)，橫隔面設(shè)置的間距一般不大于平均寬度的5 倍，也不宜大于4 個主材分段。

合理設(shè)置橫隔面可加強(qiáng)鐵塔整體剛度，對向下傳遞結(jié)構(gòu)上部因外荷載產(chǎn)生的扭力、減小塔重、均衡塔身構(gòu)件內(nèi)力具有明顯的作用。橫隔面的布置應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

（1）在滿足規(guī)范要求的前提下，盡量少布置橫隔面，減輕塔重。

（2）橫隔面一定要作為受力單元參與結(jié)構(gòu)計(jì)算。

臨時塔由于變坡以下塔身交叉斜材采用拉桿結(jié)構(gòu)，鐵塔整體剛度減小，而橫隔面設(shè)置對鐵塔剛度影響較明顯，因此增加橫隔面可以提高臨時塔抗風(fēng)、冰能力。臨時桿塔宜適當(dāng)增加橫隔面，橫隔面設(shè)置間距不宜過大。同時，考慮橫隔面交叉斜材也采用拉桿結(jié)構(gòu)，為提高塔身剛度，在塔身斜材拉桿布置范圍內(nèi)每個節(jié)間設(shè)置一個隔面，以保持結(jié)構(gòu)的外型尺寸不出現(xiàn)鼓突的情況，如圖4 所示。拉桿如圖虛線所示。

圖4 臨時塔塔身橫隔面拉桿布置圖

3 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了一種新型臨時桿塔，塔頭布置兼顧耐張串垂直排列、懸垂串垂直排列、耐張串水平排列三種形式，可作為直線塔或耐張塔單獨(dú)使用。建立了臨時拉索塔的分析模型，變坡以下塔身交叉斜材和隔面交叉斜材采用拉桿結(jié)構(gòu)，只承受拉力、不承受壓力。并根據(jù)自立臨時桿塔模塊化組裝和可拆卸的設(shè)計(jì)原則，分別從塔頭、塔身坡度、根開、塔身斷面、塔身斜材等方面對臨時桿塔的桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。