500 kV新崖門大跨越輸電塔結構設計

王振華，金曉華，何天勝

（廣東省電力設計研究院，廣州市，510663）

0 引言

臺山核電一期至圭峰和桂山2條雙回路送電線路中崖門水道段新大跨越輸電線路，導線型號為2×KTACSR/EST-1000，導線直徑35.7 mm，其跨越塔設計風速為45 m/s，按無覆冰設計。崖門水道新大跨越輸電塔為鋼管結構，主材最大規格φ1 727 mm×30 mm。大跨越輸電塔由塔身主體、地線橫擔、上下導線橫擔、中間電梯井筒（包括井筒外旋轉樓梯）和休息平臺及走道構成。

新大跨越輸電塔全高232.5 m，呼稱高為200 m，上層橫擔高為222 m，塔頭寬5 m，根開52 m。大跨越輸電塔中間設有封閉式電梯井筒，井筒直徑1.9 m，另外設有5層休息平臺，休息平臺的高度分別為30，90，158，200和222 m。

大跨越輸電塔的結構設計原則、動力特性、風振系數以及關鍵位置的細部設計是大跨越工程設計的關鍵[1-2]，本文針對以上幾個方面的問題對500 kV新崖門大跨越輸電塔的結構設計進行總結。

1 靜力分析

采用東北電力設計院編制的“自立式鐵塔內力分析軟件IGT2.0”對大跨越輸電塔進行整體有限元計算和選材，結構重要性系數為1.1。考慮到鋼管構件的橫風共振影響，對桿件的允許長細比進行了限制，主材為120，輔材為150，塔腿斜材為120。輔材不參與鐵塔整體受力，因此鐵塔整體建模不包括輔助材，輔材的承載力按照所支撐主材內力的2%進行計算。除導地線掛點處采用角鋼外，全塔均選用鋼管，選用Q345B鋼材。

將電梯井筒的風荷載按照等效節點荷載施加到井筒與橫隔面的支撐處，電梯井筒的等效風荷載按式（1）計算：

式中：βz為風振系數，按照本文第3節計算結果相同高度處的塔身風振系數取值；μs為體型系數，取0.8；μz為高度系數，按分段平均高度取值；w0為基本風壓，按風速45 m/s進行計算。

參考國內外鋼結構規范[3-4]，考慮鋼管局部屈曲，對鋼管截面進行分類，按照表1對輸電塔主材軸壓強度設計值進行折減。

表1 鋼管主材軸壓強度設計值折減Tab.1 Design value reduction of axial compressive strength of main members

2 動力特性分析

新、舊崖門大跨越輸電塔外形如圖1所示，新塔全高232.5 m，原塔全高230.5 m。針對輸電塔的結構特點，在進行有限元分析時，塔身和橫擔的主材采用空間梁單元，而其他桿件如塔身和橫擔的斜材則采用桿單元[5-10]。

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對大跨越輸電塔進行模態分析，梁單元采用Beam4單元，桿單元采用Link8單元。以有限元理論為基礎，結合鋼管塔中鋼管構件的實際受力特點和連接形式，建立了單塔的無電梯井筒與有電梯井筒的有限元計算模型，有限元模型如圖2所示。

表2為大跨越輸電塔無電梯井筒與有電梯井筒時的前10階振型及頻率。無電梯井筒與有電梯井筒相比，前10階振型相同，后者彎曲振型頻率略低于前者，兩者扭轉振型頻率幾乎相同。由振型及頻率計算結果可以看出，電梯井筒降低了輸電塔的側向剛度，但是對其影響相對較小。

大跨越輸電塔的第一周期為1.342 s（無電梯井筒）和1.437 s（有電梯井筒）；按文獻[7]的大跨越鋼管塔的第一周期經驗公式計算，計算結果為1.047 s；文獻[8]對文獻[7]大跨越鋼管塔的經驗公式進行了修正改進，按文獻[8]計算結果為1.201 s。計算結果之間的差異主要是由于輸電塔高度和結構自身附加質量大小不同的原因所產生。

表2 大跨越輸電塔無電梯井與有電梯井的振型及頻率Tab.Tab.2 2 Vibrating mode and frequency of large-span transmission tower with and without electric elevators

原崖門大跨越輸電塔導線型號為1×KTACSR/EST-720，高度為230.5 m，呼高為200 m，其第一周期為1.570 s。本工程新大跨越輸電塔剛度大于原大跨越輸電塔，主要是由于新大跨越輸電塔塔頭和根開均大于原大跨越輸電塔，并增加了橫隔面數量，使大跨越輸電塔整體剛度得到了提高。

3 風振系數計算

按照GB 50009—2001《建筑結構荷載規范》計算大跨越輸電塔的風振系數[11-12]，其計算公式為

式中：ξ為脈動增大系數；ν為脈動影響系數；φz為振型系數；μz為風壓高度變化系數。

表3為風振系數計算結果，其結果已經按照高度加權平均值為1.6進行了處理。由表3可以看出，風振系數由上到下逐漸減小，塔頂處為2.2，塔腿處為1.3。

表3 大跨越輸電塔風振系數TTaabb.. 33 Wind vibration coefficient ooff large-span transmission tower

4 細部設計

圖3為塔身斜材連接形式，斜材與斜材之間采用相貫連接，斜材與塔身主材之間采用十字插板連接。圖4為塔腿斜材連接形式，塔腿斜材與橫隔面橫材采用相貫連接。

圖5為塔腿地腳螺栓連接形式，塔腿地腳螺栓采用內外法蘭連接。選用48個M72螺栓，材料為45號鋼，其中內圈20個，外圈28個，內外螺栓承載力分配比約為0.42∶0.58。考慮到內外圈地腳螺栓受力的差異性，單個地腳螺栓承載力乘以不均勻系數1.1。

圖6為井筒與橫隔面的連接示意圖，井筒與橫隔面采用單插連接，橫隔面橫材與塔身主材采用法蘭連接，其他橫隔面斜材均采用單插連接。

圖7為休息平臺布置形式，電梯井筒外圈設有休息平臺，檢修和參觀人員從電梯出來后通過休息平臺與走道相連，休息平臺護欄做法同走道。沿橫隔面斜材設有1圈走道，走道1寬0.6 m，走道2寬0.5 m。

圖7 休息平臺布置形式Fig.Fig.7 Layout of rest platform

大跨越輸電塔的走道設計除應滿足安全和功能要求外，還應滿足舒適性要求。圖8為走道詳圖，走道每隔2 m設側向支撐。護欄由上到下設置4道欄桿，其間隔分別為0.35，0.35，0.3和0.2 m。走道踏板采用規格為L30×3的角鋼焊接在L50×4的角鋼上，其中角鋼L30×3間隔為80 mm。走道踏板通過螺栓與槽鋼連接，然后通過角鋼與橫擔或橫隔面斜材上的支托板進行螺栓連接。

5 結論

（4）介紹了大跨越輸電塔一些關鍵位置的細部設計，可供大跨越輸電塔設計參考。

（1）借鑒國外鋼結構規范和國內設計經驗，介紹了500 kV新崖門大跨越輸電塔的結構設計原則，給出了大跨越輸電塔鋼管主材軸壓強度折減方法，該方法結構上合理、經濟上不保守，而又規避了鋼管局部屈曲的問題。

（2）比較了大跨越輸電塔無電梯井筒與有電梯井筒時的動力特性。無電梯井筒與有電梯井筒相比，在前10階振型中，后者彎曲振型頻率低于前者，兩者扭轉振型頻率非常接近。相比原崖門大跨越輸電塔，新崖門大跨越輸電塔增加了橫隔面布置數量，增加塔頭和根開尺寸，使大跨越整體剛度得到提高。

（3）計算了大跨越輸電塔的風振系數，風振系數由上到下逐漸減小，保證大跨越輸電塔風振系數按高度加權平均值為1.6時，塔頂處為2.2，塔腿處為1.3。

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