1000 kV鋼管單柱組合耐張塔結構分析

楊宗奇，郭詠華，張天光，王予平，賈曉亞

（1.河南省電力勘測設計院，鄭州市，450007；2.河南省眾慧電力工程咨詢有限責任公司，鄭州市，450007）

0 引言

近幾年，我國1000 kV特高壓輸電技術獲得了長足的發展，按照我國電力工業“西電東送、南北互供、全國聯網”的中遠期發展規劃目標，至2020年，我國將建成超過2萬km的1000 kV特高壓輸電線路，受線路走廊、環境保護等各種因素的制約，將會有一半以上的線路采用雙回路同塔輸電技術[1-2]。與超高壓線路的鋼管塔相比，特高壓雙回路的鋼管塔荷載更大，結構更為復雜，設計難度也大大增加[3]。考慮各方面因素的影響，我們提出了單柱組合耐張塔這一新塔型。

單柱組合耐張塔通過分塔掛線，取消導線橫擔，優化跳線布置方案等手段，有效降低了塔高，減小了塔身尺寸，改善了鐵塔受力條件，減小了導、地線縱向荷載對塔身的扭矩，提高了鐵塔的抗冰、抗風和抗震性能，再加上良好的經濟性和地形、地質適應能力及施工方便等優點，使該塔型在我國首條1000 kV交流雙回路工程中得到了應用[2]。

1 塔身結構布置形式

本文依照該1000 kV交流雙回路工程的施工圖設計，采用有限元分析的手段對鋼管單柱組合耐張塔的結構布置形式進行一定范圍內的討論。該塔設計風速為30 m/s，設計覆冰厚度為10 mm，驗算覆冰厚度為20 mm。導線為8×LGJ-630/45，地線一根為LBGJ-240-20AC，另一根為OPGW-240（24芯）。采用分塔掛線，外角側塔和內角側塔各掛上、中、下三相導線和1根地線，結構布置形式如圖1所示。塔身主材和交叉斜材全部采用鋼管，V面、橫隔面和跳線架上部分受力較小的腹桿采用角鋼。

在分析的過程中，考慮到角鋼抗彎剛度較小，鋼管具有較強的抗彎剛度，故鋼管構件均按梁單元進行分析，角鋼構件按桿單元進行分析[3-9]。由于內角側塔受力稍大，控制選材，故在分析時只分析內角側塔。同時作如下假定：

（1）鋼材材料均質，各向同性；

（2）鋼構件符合線彈性本構模型。

2 塔身結構布置形式分析

塔身結構布置主要是指塔身斜材的布置及主材的分段，塔身斜材主要用來承受剪力，其布置形式主要有交叉形布置和K形布置2種。在以往的設計中，塔腿上面1節和變坡等特殊部位應用較多。

下面依據有限元分析結果，分別介紹各特殊部位不同斜材布置形式對主材內力的影響。

2.1 中導線掛點處

中導線掛點位于塔身，該部位斜材布置形式及掛點位置如圖2所示。在分析過程中發現，改變圖中①段和②段的斜材布置形式對該處主材的內力影響較大。

將①段的斜材布置形式改為K形支撐后，其結構布置如圖3所示，其主材內力變化如表1所示。

表1 ①段2種不同支撐形式主材內力對比表Tab.1 Contrast of the first part’s stress under two different bracing

從表1可以看出：改變①段斜材布置形式后，其主材軸力增大7.7%，其上下2段主材軸力減小0.7%左右；該段主材扭矩變化較小，對總內力影響不大；該段主材上端彎矩減小47.7%，下端彎矩增大31.8%，該段上下2段主材兩端的彎矩也略有變化。考慮到1500節點處內力較大，為選材控制點，①段采用圖2所示的結構布置形式。

將②段的斜材布置形式改為K形支撐后，該段結構布置如圖4所示，該處主材內力變化如表2所示。

表2 ②段2種不同支撐形式主材內力對比表Tab.2 Contrast of the second part’s stress under two different bracing

從表2可以看出：改變②段斜材布置形式后，該段主材軸力減小10.9%，該段上下2段主材軸力減小0.5%左右；該段主材扭矩變化較小，對總內力影響不大；該段主材上端彎矩增大10.5%，下端彎矩減小0.6%，該段上下2段主材兩端的彎矩也略有變化。考慮到1500節點處內力較大，為選材控制點，②段采用圖2所示的結構布置形式。

2.2 下導線掛點處

下導線掛點位于1901節點處，該部位斜材布置形式及掛點位置如圖5所示。在分析過程中發現，改變圖中③段和④段的斜材布置形式對該處主材的內力影響較大。

將③段的斜材布置形式改為K形支撐后，該段結構布置如圖6所示，該處主材內力變化如表3所示。

表3 ③段2種不同支撐形式主材內力對比表Tab.3 Contrast of the third part’s stress under two different bracing

從表3可以看出：改變③段斜材布置形式后，該段主材軸力增大2.6%，1800-1880段主材軸力減小0.1%，1900-1970段主材軸力減小4.7%；該段主材扭矩略有減小，對總內力影響不大；該段主材上端彎矩增大14.5%，下端彎矩增大55.2%，1800-1880段主材彎矩增大8%左右，1900-1970段主材上端彎矩增大52.2%，下端彎矩增大158.9%。從而可以明顯看出，③段斜材采用圖5所示的結構布置形式是比較合適的。

將④段的斜材支撐形式改為交叉形布置后，該段結構布置如圖7所示，該處主材內力變化如表4所示。

表4 ④段2種不同支撐形式主材內力對比表Tab.4 Contrast of the forth part’s stress under two different bracing

從表4可以看出：改變④段斜材布置形式后，該段主材軸力減小0.1%，1880-1900段主材軸力增大0.3%，1970-1980段主材軸力減小0.9%；該段主材扭矩略有減小，對總內力影響不大；該段主材上端彎矩減小2.4%，下端彎矩增大58.9%，1880-1900段主材的彎矩減小0.6%左右，1970-1980段主材的彎矩增大60.9%。從減小1880-1900段主材軸力和該段主材下端彎矩的角度考慮，④段最終采用圖5所示的結構布置形式。

2.3 塔身某較長節間處

在布置塔身的時候有時會碰到主材計算長度過大的情形，有時就會考慮加幾根橫材，從而將主材分成2份，減小計算長度，如圖8所示。

在⑤段中間增加橫材后，該處主材內力變化如表5所示。

表5 ⑤段2種不同支撐形式主材內力對比表Tab.5 Contrast of the fifth part’s stress under two different bracing

由表5可以看出：增加橫材后，⑤段和1900-1970段主材軸力減小1%左右，其他主材軸力變化較小；該段主材扭矩略有變化，對總內力影響不大；該段主材上端、該段主材下端、1900-1970段主材下端以及1980-3500段主材的上端彎矩均增大1倍以上，并且該段主材中間部位彎矩明顯增大，且比該段主材兩端彎矩大31%以上，其他部位主材彎矩變化較小。綜合考慮軸力和彎矩的因素，在塔身結構布置時未采用增加橫材的辦法。

2.4 塔身與塔腿連接處

在1980-3500段，角鋼塔設計時經常會將斜材設計為K形，從而使橫隔面桿件變為零桿，降低塔重，也使鐵塔受力更為合理。該塔設計時，考慮各方面因素，將該段斜材設計為交叉形結構，如圖5所示。

將⑥段的斜材布置形式改為K形支撐后，該段結構布置如圖9所示，該處主材內力變化如表6所示。

從表6可以看出：改變⑥段斜材布置形式后，該段主材軸力減小2.5%，1970-1980段主材軸力略有增大，3500-3900段主材軸力略有減小；該段主材扭矩略有增大，對總內力影響不大；該段主材上端和1970-1980段主材下端彎矩增大5倍左右，1970-1980段主材上端彎矩增大2倍左右，該段主材下端和3500-3900段主材上端彎矩增大1倍左右，其他部位主材彎矩變化較小。從而可以看出，⑥段斜材采用K形布置以后，雖能減小主材軸力，但主材彎矩增大太多，對主材受力不利，最終采用圖5所示的結構布置形式。

結合以上計算分析可以看出，塔身布置形式對塔身主材內力影響很大，圖5所示的塔身布置形式對塔身主材受力是比較有利的。

3 塔腿結構布置形式分析

3.1 塔腿結構布置形式

塔腿結構布置主要是指塔腿輔助材的設置，以及塔腿主材和塔腿斜材的分段。設計時，通常按照單純鉸接體系進行計算，輔助材是不受力的，塔腿主材分段越多，穩定計算應力越小。因此常根據其長度及長徑比的要求，將其分為2段、3段，甚至更多。在此次工程設計中，依據有限元分析結果，將主材分為1段或2段，將斜材分為2段或3段。

本塔這3條腿的長短腿設置如圖10所示，最短腿為圖中⑦段所示的那條腿，最長腿為圖中⑨段所示的那條腿。

表6 ⑥段2種不同支撐形式主材內力對比表Tab.6 Contrast of the sixth part’s stress under two different bracing

3.2 長短腿組合

由有限元分析結果可知，長短腿組合時，短腿內力較大，起控制因素，因此首先分析長短腿組合時的情況。由圖10可知，最短腿為⑦段，最長腿為⑨段，⑦段和⑨段結構布置圖如圖11、圖12所示。

由表7可以看出，長短腿組合的情況下，加入輔助材后，各腿主材軸力減小1%左右；各腿主材扭矩變化很小，且對總內力影響很小；各腿主材彎矩明顯增加，其中最長腿塔腳處主材彎矩增加最多，約為190.0 kN·m，最長腿中間部位主材彎矩增加幅度最大，約為未加入輔助材時的9.28倍。另外，由最短腿內力變化可以看出，塔腿斜材分段對主材內力影響很小，可以忽略。

表7 長短腿組合時塔腿主材內力對比表Tab.7 Contrast of the tower leg’s stress under long and short leg

3.3 長長腿組合

在單純鉸接體系的計算中，通常在長短腿組合下，短腿主材內力最大，為塔腿主材選材控制條件，因此只做長短腿組合的計算分析就可以。而從表7可以看出，加入輔助材以后，長腿彎矩的影響比較大。在彎矩應力的影響下，長腿應力有可能超過短腿應力，成為塔腿主材選材控制點。為分析長腿彎矩的影響，特分析長長腿組合時的情況。⑨段布置圖如圖12所示，長長腿組合時的內力情況如表8所示。

由表8可以看出：未加入輔助材時，長長腿組合的長腿主材軸力約比長短組合的長腿主材軸力增大20%，可見長長腿組合時，對長腿來說是不利的；加入輔助材以后，各腿主材軸力約減少1%；主材扭矩變化較小，對總內力影響很小；各腿主材彎矩明顯增加，其中塔腳處主材彎矩增加最多，約為208.6 kN，塔腿中間部位主材彎矩增加幅度最大，約為未加入輔助材時的11.3倍。

表8 長長腿組合時塔腿主材內力對比表Tab.8 Contrast of the tower leg’s stress under long and long leg

本塔塔腿主材為φ610×14，由表7和表8可以算出，長短腿組合時短腿塔腳處應力最大，為270.9 MPa；長長腿組合時塔腿中間部位應力最大，為279.6 MPa。所以對該塔來說，長腿主材已經成為塔腿主材選材控制條件。

3.4 塔腿分段的分析

在單純鉸接體系的計算中，主材分段越多，主材穩定計算應力越小，對主材受力越有利。而由以上分析可以看出，塔腿主材分段對主材內力影響很大，最短腿只有1段，加入輔助材后內力變化不大；最長腿分為2段，加入輔助材后內力變化很大。為分析塔腿主材分段對主材內力的影響，取中間腿⑧段平腿情況進行分析，其結構布置如圖13所示。實際應用時，該腿主材是分為2段。

由表9可以看出：該腿加入輔助材后，各腿主材軸力減小1%左右；各腿主材扭矩變化很小，對總內力影響也很小；各腿主材彎矩明顯增加，其中塔腳處主材彎矩增加最多，約為177.2 kN，塔腿主材中間部位彎矩增加幅度最大，約為未加入輔助材時的10.6倍。同等情況下，該腿加入輔助材后的主材內力變化比最長腿小。

表9 ⑧段塔腿主材內力對比表Tab.9 Contrast of the tower leg’s stress of the eighth part

從⑧段的分析可以看出，較短腿主材分段對其主材內力的影響較小，現將⑦段主材分為2份，如圖14所示，并分析其內力的變化。

表10 ⑦段主材分為2份時塔腿主材內力表Tab.10 Contrast of the tower leg’s stress of the seventh part when its leg is divided into two parts

由表10和表7可以看出，兩短腿主材分為2段并加入輔助材后，主材軸力減小1%左右；主材扭矩值略有減小，對總內力影響也很小；主材彎矩明顯增加，其中塔腳處增加最多，約為94.3kN，彎矩增加幅度約為3倍。可以看出，最短腿主材分為2段并加入輔助材后，其主材內力變化比⑧段加入輔助材后小，比⑨段加入輔助材后更小。可見分段多少一樣的情況下，塔腿越長，分段對主材內力影響越大。

為分析分段多少對塔腿主材的影響，將最長腿分為3段，如圖15所示，并分析其主材內力的變化。

由表11和表7可以看出：與⑨段分為2段時相比，主材軸力增加0.5%左右；扭矩變化不大，對總內力影響很小；塔腳處彎矩增加最多，約為174.7 kN，中部彎矩增大幅度最大，約為1.23倍。可見塔腿主材分段越多，主材彎矩值增加越大，而主材軸力和扭矩則變化不大，且對總內力影響也很小。

表11 ⑨段主材分為3份時塔腿主材內力表Tab.11 Contrast of the tower leg’s stress of the ninth part when its leg is divided into three parts

結合以上計算分析可以看出，塔腿結構布置形式對塔腿主材內力影響很大，本文推薦的塔腿結構布置形式對塔腿主材受力比較有利。

4 結論

（1）鋼管塔中，彎矩的影響非常明顯。

（2）簡單按照鋼結構設計規范里“‘在桁架平面內桿件的節間長度或桿件長度與截面高度（或直徑）之比不小于12（主管）和24（支管）時’，‘分析桁架內力時可將節點視為鉸接’”進行鋼管塔的設計是不合適的[12]，應對鋼管塔進行梁桿混合單元的分析。

（3）結構布置對鋼管塔主材內力影響很大，優化鋼管塔結構布置是優化鋼管塔構件選材的有效手段。

（4）導線掛點處斜材用交叉形支撐比較有利；變坡處上面1段用交叉形支撐比較有利，下面1段用K形支撐比較有利；塔腿上面1段斜材用交叉形支撐比較有利。

（5）在塔身交叉斜材結構設計時，不宜采用增加橫材以減小計算長度的布置形式。

（6）在分析塔腿主材內力時，應該把輔助材放進去進行計算。把輔助材放進去以后，塔腿主材彎矩會急劇增加，進而導致塔腿主材內力變大。并且，塔腿主材在分段相同的情況下，塔腿越長，主材內力增大越多。塔腿主材長度相同的情況下，分段越多，主材內力增大越多。

（7）長腿主材的彎矩作用非常明顯，會成為腿部主材選材控制條件。因此，除了做長短腿組合的分析外，還需要做長長腿組合的分析。

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