110 kV窄基鋼管塔的研究設(shè)計(jì)

羅玉鶴

（寧波市電力設(shè)計(jì)院，浙江省寧波市，315021）

0 引言

窄基塔不僅節(jié)約土地資源，減小線路走廊寬度，節(jié)省青苗賠償，而且與普通鐵塔一樣，具有加工、運(yùn)輸、組裝、維護(hù)方便等特點(diǎn)。相對(duì)普通鐵塔更能與城市景觀相協(xié)調(diào)，主要應(yīng)用在城區(qū)及部分走廊受限的架空輸電線路[1-12]。

窄基塔的根開小造成主材內(nèi)力大，主材規(guī)格較大。轉(zhuǎn)角塔主材采用角鋼時(shí)，單角鋼一般無法滿足受力要求，而采用組合角鋼經(jīng)濟(jì)性差。由于鋼管具有回轉(zhuǎn)半徑大、構(gòu)件力學(xué)特性好等優(yōu)點(diǎn)，在鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)可以簡化塔身結(jié)構(gòu)布置，減少輔助材數(shù)量。因此，推薦窄基塔以鋼管作為主材，主材之間采用法蘭連接，其他部件采用角鋼。

1 窄基鋼管塔設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

本次窄基鋼管塔按同塔雙回設(shè)計(jì)，離地10 m高度最大基本風(fēng)速為33 m/s，覆冰厚度為5 mm，導(dǎo)線型號(hào)LGJ-300/40，地線型號(hào)JLB1A-95。為滿足線路路徑位于道路條狀綠化帶走廊的要求，最大呼高鐵塔根開布置3～3.5 m。另外，為滿足平地線路300 m檔距的架設(shè)要求，綜合考慮塔型鋼材指標(biāo)、基礎(chǔ)的合理性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)中導(dǎo)線安全系數(shù)取4.0，最大使用應(yīng)力為64.6 MPa，地線安全系數(shù)取5.0，最大使用應(yīng)力為212.4 MPa。

1.2 塔型規(guī)劃

本次規(guī)劃了9種窄基鋼管塔型，其中直線塔3種，懸垂轉(zhuǎn)角塔1種，轉(zhuǎn)角塔4種，終端塔1種。直線塔按2塔系設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)高跨塔型；轉(zhuǎn)角塔根據(jù)轉(zhuǎn)角大小按4塔系設(shè)計(jì)，單獨(dú)設(shè)計(jì)終端塔型，轉(zhuǎn)角40°以上轉(zhuǎn)角塔按長短橫擔(dān)設(shè)計(jì)。塔型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

鑒于窄基塔一般用于城區(qū)，跨越物較多且走廊一般受到限制，應(yīng)盡量限制其風(fēng)偏，因此，在塔型規(guī)劃中，規(guī)劃了一種V型串直線塔型。直線塔采用V型絕緣子串掛線方式，是有效節(jié)約線路走廊寬度的一種方式，相對(duì)110 kV同塔雙回路可節(jié)約走廊寬度約3.5 m。設(shè)計(jì)中，V串雙肢的夾角度數(shù)的一半可較最大風(fēng)偏角小5～10°，本次設(shè)計(jì)V串夾角取96°。

表1 110 kV窄基鋼管塔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameters of 110 kV narrow-base steel pipe tower

另外，考慮到城區(qū)道路轉(zhuǎn)彎時(shí)一般采用大轉(zhuǎn)彎半徑，線路沿其架設(shè)時(shí)，10°以下小轉(zhuǎn)角較多，因此規(guī)劃了一種懸垂轉(zhuǎn)角塔，轉(zhuǎn)角角度3～10°。懸垂轉(zhuǎn)角塔型較常規(guī)的小轉(zhuǎn)角塔型具有安裝方便、造價(jià)小等優(yōu)點(diǎn)，其塔頭結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大，但較小轉(zhuǎn)角塔型可節(jié)約鋼材約12%，節(jié)省金具及絕緣子費(fèi)用，且安裝方便，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

在絕緣設(shè)計(jì)方面，以“絕緣到位，留有裕度”為設(shè)計(jì)原則，空氣間隙按照規(guī)范要求取值，并根據(jù)間隙圓確定窄基塔的塔頭尺寸。為了增加桿塔的防雷性能，所有塔型按零保護(hù)角設(shè)計(jì)，雙回路采用平衡高絕緣設(shè)計(jì)。

所設(shè)計(jì)的窄基鋼管塔塔型單線圖如圖1所示。

1.3 塔身風(fēng)振系數(shù)的確定

根據(jù)DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，在計(jì)算輸電桿塔塔身風(fēng)荷載時(shí)采用風(fēng)振系數(shù)來考慮脈動(dòng)風(fēng)所引起的風(fēng)振影響，當(dāng)全塔高度不超過60 m時(shí)，按規(guī)范提供的表格取值，同時(shí)規(guī)范也規(guī)定適用條件為鐵塔高度與根開之比為4～6。然而窄基塔的高度根開之比一般都大于10，按規(guī)定取值顯然有較大誤差，因此如何確定塔身風(fēng)振系數(shù)成為窄基塔設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

根據(jù)GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，結(jié)構(gòu)在z高度處的風(fēng)振系數(shù)βZ可按式（1）計(jì)算：

式中：ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)；v為脈動(dòng)影響系數(shù)；φz為振型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。其中脈動(dòng)增大系數(shù)根據(jù)ω0T12確定，T1為結(jié)構(gòu)的第1自振周期，而規(guī)范僅提供結(jié)構(gòu)基本自振的經(jīng)驗(yàn)公式為T1=（0.007～0.013）H。該自振周期經(jīng)驗(yàn)公式僅與結(jié)構(gòu)的高度H有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)的寬度無關(guān)且系數(shù)的范圍較廣，顯然對(duì)窄基鋼管塔的自振周期未能準(zhǔn)確計(jì)算。因此有必要對(duì)窄基塔進(jìn)行動(dòng)力特性分析，從而確定塔身風(fēng)振系數(shù)。

通過MIDAS有限元軟件，建立窄基塔有限元模型，可以準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)各種模態(tài)下的自振周期，同時(shí)又采用ANSYS軟件進(jìn)行對(duì)比分析，得到很好的吻合。計(jì)算按照梁桿混合模型進(jìn)行分析，不考慮塔線耦合，采用子空間迭代法計(jì)算得到窄基鋼管塔的第1自振周期T1見表2。

表2 窄基鋼管塔第1自振周期Tab.2 The first self-vibration period(T1)of narrow-base steel pipe tower

由表2可得，直線塔型的自振周期達(dá)到經(jīng)驗(yàn)公式的上限，若塔頭較為復(fù)雜，如V型串塔頭、異型塔頭等，其自振周期大于經(jīng)驗(yàn)公式的上限值；轉(zhuǎn)角塔型的自振周期分布在經(jīng)驗(yàn)公式上下限取值范圍內(nèi)，且對(duì)應(yīng)系數(shù)均大于0.01。

通過表2計(jì)算得到的第1自振周期，按照GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的相關(guān)要求取值，通過公式（1）即可分段計(jì)算窄基塔的風(fēng)振系數(shù)βZ。

1.4 荷載工況

窄基鋼管塔的荷載按照GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行計(jì)算，并按規(guī)范要求進(jìn)行工況組合。在組合113DB-SZZ1V、113DB-SZZ1J塔型計(jì)算工況時(shí)，為便于安裝，在V型串的正上方導(dǎo)線橫擔(dān)處設(shè)置吊裝孔，并考慮吊裝荷載工況。

1.5 窄基塔剛度分析

窄基塔相對(duì)常規(guī)鐵塔，塔身細(xì)小，整體剛度低，塔頂位移相對(duì)較大。在同樣作用力下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)位移減小，自振周期減小，頻率增大，這一點(diǎn)符合前面所得的自振周期規(guī)律。為了避免過大的位移引起局部剛度重新分配，造成計(jì)算模型與實(shí)際不符，需要采取提高結(jié)構(gòu)剛度的措施。在設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行位移計(jì)算，使得塔頂?shù)淖畲笪灰瓶刂圃谝?guī)定的范圍內(nèi)，采取合理的隔面布置可以適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的剛度。

根據(jù)規(guī)范，在荷載的長期效應(yīng)組合（無覆冰、風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫）作用下，直線塔的塔頂位移不超過0.003H，轉(zhuǎn)角塔的塔頂位移不超過0.007H，其中H為桿塔全高。設(shè)計(jì)中，采用有限元軟件進(jìn)行窄基鋼管塔的位移分析，在長期荷載作用下，所有塔型的塔頂位移均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)；在最大荷載工況下，塔頂位移均在0.015H以內(nèi)。

2 窄基鋼管塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

窄基塔的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，特別是在軟土地基地區(qū)，決定了窄基塔能否得到推廣應(yīng)用。在窄基塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)不同導(dǎo)、地線安全系數(shù)下的基礎(chǔ)作用力進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算相應(yīng)的基礎(chǔ)大小并作對(duì)比，按基礎(chǔ)占地小、經(jīng)濟(jì)合理的要求選擇導(dǎo)地線安全系數(shù)。由于窄基塔的根開較小，各塔基礎(chǔ)作用力普遍較大，一般采用聯(lián)合大平板基礎(chǔ)；在軟土地基的地區(qū)，需考慮聯(lián)合大平板加灌注樁基礎(chǔ)，以滿足聯(lián)合基礎(chǔ)的抗傾覆要求。聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需利用鐵塔傳遞給基礎(chǔ)的彎矩，因此需計(jì)算各個(gè)工況下基礎(chǔ)作用力的最大彎矩。

在本次設(shè)計(jì)中，直線塔113DB-SZZ1的基礎(chǔ)作用力最小，終端塔113DB-SJZD的基礎(chǔ)作用力最大。直線塔113DB-SZZ1-30在60°大風(fēng)工況下，終端塔113DB-SJZD-30在90°轉(zhuǎn)角、大風(fēng)工況下根據(jù)滿應(yīng)力計(jì)算得到的基礎(chǔ)作用力見表3。

表3 窄基鋼管塔基礎(chǔ)作用力Tab.3 The base force of narrow-based steel pipe tower

根據(jù)上述基礎(chǔ)作用力，計(jì)算同一工況下，塔腿基礎(chǔ)作用力傳遞到基礎(chǔ)底面的傾覆彎矩。在軟土地基條件下，直線塔采用普通聯(lián)合基礎(chǔ)，底板寬度約4.5 m可滿足傾覆穩(wěn)定要求；終端塔采用聯(lián)合基礎(chǔ)下加灌注樁基礎(chǔ)，底板寬度約7.5 m，9樁φ800 mm灌注樁，樁長約20 m可滿足傾覆穩(wěn)定要求。

另外，窄基鋼管塔通過法蘭與基礎(chǔ)連接。在塔腳法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于基礎(chǔ)施工，需要控制地腳螺栓數(shù)量在12個(gè)以內(nèi)，并考慮相鄰螺栓間距不小于4倍的螺栓直徑。

3 窄基鋼管塔經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 窄基鋼管塔與常規(guī)鐵塔經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

選取相同氣象條件、導(dǎo)地線型號(hào)下的窄基鋼管鐵塔和常規(guī)鐵塔（塔型SZR31和SJR33），比較2種輸電塔在呼高24 m、30 m的塔質(zhì)量及根開，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 窄基鋼管塔與常規(guī)鐵塔經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Tab.4 Economic comparison of narrow-base steel pipe tower and normal steel tower

經(jīng)過對(duì)多種塔型統(tǒng)計(jì)，窄基鋼管直線塔的塔重較常規(guī)鐵塔重4%～6%，轉(zhuǎn)角塔較常規(guī)鐵塔重10%～13%；窄基鋼管鐵塔根開僅為常規(guī)鐵塔的30%～50%，在征地費(fèi)、青苗賠償方面具有較大優(yōu)勢(shì)。在平地受地形條件限制，線路一般的平均檔距在250～300 m，因此窄基鋼管塔的布點(diǎn)基本上與常規(guī)鐵塔相同，但基礎(chǔ)造價(jià)相對(duì)較高。考慮鐵塔鋼材和基礎(chǔ)材料增大等因素，在軟土地基的沿海地區(qū)，窄基鋼管塔線路的本體造價(jià)較常規(guī)鐵塔線路增加15%～20%。但是由于城市土地十分寶貴，綜合考慮各項(xiàng)政策處理費(fèi)用，窄基鋼管塔線路總體的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)好于常規(guī)鐵塔線路。另一方面，窄基鋼管塔的社會(huì)效益優(yōu)勢(shì)更為明顯。

3.2 窄基鋼管塔與鋼管桿經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

同樣，選取在相同氣象條件、導(dǎo)地線型號(hào)下的窄基鋼管塔和鋼管桿（塔型GSZ1和GSJ60）），比較2種輸電塔在呼高24 m、30 m的塔質(zhì)量和根開，結(jié)果如表5所示。

表5 窄基鋼管塔與鋼管桿經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Tab.5 Economic comparison of narrow-base steel pipe tower and steel pipe pole

經(jīng)過對(duì)多種塔型統(tǒng)計(jì)，窄基鋼管直線塔的塔重較鋼管桿重25%～35%，轉(zhuǎn)角塔較鋼管桿重6%～15%；鐵塔根開為鋼管桿根徑的1.5～2倍。但鋼管桿的使用檔距一般在150 m以內(nèi)，窄基鋼管塔的檔距為鋼管桿的2倍，因此窄基鋼管塔的布點(diǎn)數(shù)量為鋼管桿的一半。綜合各方面因素，在東南沿海地區(qū)，窄基鋼管塔線路的本體造價(jià)較鋼管桿線路減少20%～30%。

4 結(jié)語

窄基鋼管塔解決了鋼管桿線路在部分地區(qū)大件運(yùn)輸困難的難題，同時(shí)由于其占地小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)線路建設(shè)時(shí)的政策處理難度也起到了一定的緩解作用。在本次110 kV窄基鋼管塔研究設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際工程情況，規(guī)劃了高跨塔型、V型串塔型、懸垂轉(zhuǎn)角塔型等特殊塔型，充分發(fā)揮了窄基塔壓縮線路走廊的潛力。

通過與常規(guī)鐵塔、鋼管桿線路的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，窄基鋼管塔線路的本體造價(jià)處于常規(guī)鐵塔與鋼管桿線路之間，約為鋼管桿線路的75%，經(jīng)濟(jì)效益較好。在設(shè)計(jì)中力求結(jié)構(gòu)合理、布材簡單、安全可靠、外形美觀，提高輸電線路的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有一定推廣應(yīng)用的價(jià)值。

[1]DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2]GB 50545—2010110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]國家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國電力出版社，2003.

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