輕中冰區(qū)懸垂塔塔身交叉斜材的布置夾角研究

馬海云,何松洋,向 越,劉翔云,韓大剛

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著輸電線路事業(yè)的迅速發(fā)展，線路的重要性等級不斷增加。輸電鐵塔結構作為輸電線路中的重要組成部分，是大型生命線工程和電力輸送的核心支撐，在輸電線路建設成本中占據(jù)了較大的比重，對其結構布置和構造措施的研究顯得極其重要。鐵塔設計水平的高低直接影響線路運行的安全，鐵塔設計中結構布置是否合理、鐵塔選材是否經(jīng)濟，不但關系到整個工程建設的造價指標，同時也關系著工程建設的可靠性、美觀性和安全性。

在輸電鐵塔結構優(yōu)化方面，部分學者通過建立混合力學模型對輸電鐵塔強度和穩(wěn)定性進行了分析，給出了加固處理的構造措施[1]，也對鐵塔相關桿件形式、截面材料、根開大小進行了優(yōu)化[2]。針對節(jié)點構造、桿系傳力、塔身分段高度的選擇等鐵塔設計的重點問題，相關學者對輸電鐵塔的結構設計給出了建議[3-4]。并且，其他學者通過考慮優(yōu)化算法對輸電塔的形狀、尺寸、選材進一步優(yōu)化，在保證結構安全的基礎上來減少鐵塔質量[5-7]。合理的鐵塔布置不僅具有較好的安全可靠性，同時其造價也比較經(jīng)濟，能夠達到安全與造價的最優(yōu)情況，是結構設計追求的目標。

本文以單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔為研究對象，通過數(shù)值模擬研究了不同的塔身坡度及交叉斜材角度對鐵塔質量和基礎作用力的影響，從力學原理上對相關結論進行了分析，以得到鐵塔的最優(yōu)塔身坡度和最優(yōu)交叉斜材角度。

1 數(shù)值模型

選取單回路酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔進行數(shù)值模擬分析。采用梁桿組合模型進行數(shù)值模擬，其中桿單元采用Link8，梁單元采用Beam188，考慮材料非線性和幾何非線性，數(shù)值模型如圖1所示。

規(guī)劃的塔身坡度和典型控制工況如表1所示，懸垂塔和耐張塔分別選取了7種坡度，選取輕中冰區(qū)的典型控制工況(大風和不均勻冰工況)進行加載。

表1 規(guī)劃的塔身坡度

2 對鐵塔質量的影響

2.1 單回酒杯懸垂塔

在進行鐵塔質量對比時，計算質量考慮板釘系數(shù)。

計算不同的塔身坡度和交叉斜材角度時，鐵塔的受力材、輔助材及總質量如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可知：

1)最優(yōu)受力材質量隨著塔身坡度的增加先減小后增加。

2)輔助材質量隨著坡度的增加持續(xù)增加。

3)整體上，總質量隨著塔身坡度的增加先減小然后增加，最優(yōu)的坡度在0.1附近。

4)不同坡度對應了不同的最優(yōu)交叉材角度，如圖中各線段最低點所示，最優(yōu)交叉材角度大約為32.5°～42.5°。

當鐵塔口寬及交叉斜材角度一定時，塔身坡度越小，鐵塔斜材、輔助材及隔面桿材就越短，受力也越小，質量將會減輕。但鐵塔主材內力將加大，主材規(guī)格就隨之增大。另外，主材質量占鐵塔總質量的比例大約為65%～75%，主材的大小對塔重的影響最大，因此，坡度持續(xù)減小過程中塔重最終會明顯增加。

反之，塔身坡度越大，根開就越大，塔身主材內力就越小，主材規(guī)格就相應減小，但此時，鐵塔斜材、輔助材、隔面桿材的長度會增加，內力隨之而增大，對應規(guī)格將會急劇增加，且斜材、隔面桿材會受長細比控制，因此坡度持續(xù)增大過程中塔重最終也會明顯增加。因此，隨著塔身坡度的逐漸增大，受力材質量先減小后增加，輔助材質量持續(xù)增加，總質量先減小后增加。

2.2 雙回鼓形懸垂塔

計算不同塔身交叉材角度及塔身坡度時，鐵塔的受力材、輔助材及總質量如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知：

1)與單回酒杯懸垂塔不同，除了交叉材角度為42.5°且坡度為0.09時，雙回鼓形懸垂塔受力材質量突然增加外，受力材質量整體隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。

2)輔助材質量隨著坡度的增加持續(xù)增加。

3)除了交叉斜材角度為42.5°且坡度為0.09時總質量突然增加外，總質量整體隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。

3 對鐵塔基礎作用力的影響

3.1 單回酒杯懸垂塔

計算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度時鐵塔的基礎作用力如圖8，圖9所示。

由圖8，圖9可知：

1)同一塔身坡度時，不同交叉斜材角度對應的基礎作用力基本相當，最大差距僅為2.05%。

2)同一交叉斜材角度時，基礎下壓力和基礎上拔力隨塔身坡度的變化規(guī)律保持一致，即塔身坡度越大，基礎作用力就越小。

因此，對于征地沒有特別限制的地區(qū)，可以加大塔身坡度，降低基礎造價，進而降低線路工程總造價。

3.2 雙回鼓形懸垂塔

計算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度時鐵塔的基礎作用力如圖10，圖11所示。

由圖10，圖11可知：

1)同一塔身坡度時，不同交叉斜材角度對應的基礎作用力基本相當，最大差距僅為3.6%。

2)同一交叉斜材角度時，基礎下壓力和基礎上拔力隨塔身坡度的變化規(guī)律保持一致，即塔身坡度越大，基礎作用力就越小，與3.1結論一致。

4 結論

本文主要選取了輕中冰區(qū)單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔等典型鐵塔作為研究對象，通過數(shù)值模擬研究了不同的塔身坡度和交叉斜材角度對鐵塔質量和基礎作用力的影響，研究結論如下：

1)單回酒杯懸垂塔的受力材質量及總質量隨著塔身坡度的增加先減小后增加，最優(yōu)坡度分別約為0.1及0.12；而雙回鼓形懸垂塔的受力材質量及總質量隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。不同坡度對應了不同的最優(yōu)交叉材角度，最優(yōu)交叉材角度大約為32.5°～42.5°。

2)單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔的輔助材質量隨著塔身坡度的增加均持續(xù)增加。

3)同一塔身坡度時，不同交叉斜材角度對應的基礎作用力基本相當；而同一交叉材角度時，塔身坡度越大，基礎下壓力和基礎上拔力越小。