750kV輸電線路工程V型拉線塔設計優化

馮云巍

（中南電力設計院，武漢市 430071）

0 引 言

V型拉線塔具有質量小，造型美觀的優點，在我國西北部荒漠、戈壁地區具有良好的實用性。一般而言，V型拉線塔由塔頭、拉線和2個格構式主柱組成。塔頭主要承受導地線荷載和風荷載；拉線主要承受結構上的傳來的風荷載，只承受拉力；主柱主要承受塔頭傳來的豎向荷載以及風荷載和拉線拉力產生的豎向分量，只承受壓力。塔頭和主柱一般是由角鋼或鋼管構成的空間桁架結構，具有較好的整體穩定性，能夠承受較大的軸向壓力。拉線一般由高強度鋼絞線做成，能夠承受很大的拉力。V型拉線塔充分利用了材料的強度特性，進而減少了材料耗用量，節省造價［1］。與自立塔相比，V型拉線塔計算需要考慮結構的幾何非線性，而目前國內桿塔設計軟件只能計算線性結構。本文依托西北地區某750kV輸電線路工程，利用非線性鐵塔計算軟件TOWER對V型拉線塔進行優化計算和分析，比較各種設計方案的優劣，以得到最經濟、合理的V型拉線塔結構形式［2－3］。在TOWER軟件中沒有相關的中國設計規范可供選擇，本文按照中國規范編制了構件驗算程序，可將TOWER軟件的計算結果導入程序驗算構件規格，以使非線性計算的結果滿足我國規范的相關設計要求［4］。

1 V型拉線塔的設計條件及計算模型

1.1 設計條件

本文所研究V型拉線塔的設計條件［5－6］：設計風速為31m／s；設計覆冰厚為5mm；海拔為1500m；設計呼高為42.0m；設計水平檔距為450m；設計垂直檔距為600m；導線型號為6×LGJ－400／35；地線型號為JLB20A－150；計算呼高為42m。

1.2 計算分析模型

在建立V型拉線塔計算模型前，首先需要確定受力桿件的單元類型。拉線采用只能承受拉力的索單元，斜材以及隔面橫材采用桿單元，而主材則采用梁單元［7］。分析過程考慮幾何非線性，但結構材料仍然按線性考慮。按照此原則，本文在確定了鐵塔幾何尺寸的基礎上，利用此計算平臺建立了V型拉線塔的計算模型，如圖1所示。

圖1 V型拉線塔的有限元計算模型Fig.1 Finite element calculation model of V－type guyed tower

拉線塔需進行非線性有限元計算，當結構失穩破壞時往往需要了解破壞部位，以優化結構設計。TOWER軟件可以清晰直觀地顯示非線性破壞變形圖，也可顯示出各工況下桿塔的變形，如圖2所示。

圖2 非線性有限元計算變形圖Fig.2 Deformation figures of nonlinear finite element calculation

計算結果表明，拉線塔的橫擔主材規格多數為斷線工況控制，少數為安裝工況控制；塔柱上部主材為斷地線工況控制，下部主材為60°大風工況控制；拉線規格為60°大風工況控制。基座基礎為90°大風工況控制，只受壓力和水平力；拉線盤基礎為60°大風工況控制，只受拉線產生的上拔和水平分力。

以上控制工況均符合拉線塔的受力特點，充分說明了V型拉線塔的結構體系受力的合理性，能夠保證在工程中使用的可靠性。

2 V型拉線塔結構優化設計

V型拉線塔設計是否合理與眾多因素相關，其中比較關鍵的是導線的掛線方式、塔頭形狀、拉線的設置方案以及主柱截面的選取。

2.1 V型拉線塔的導線掛線方式選擇

直線塔導線的掛線方式常用的有“I串型式”和“V串型式”。I串掛線方式受風偏和搖擺角的影響，使得其電氣間隙較V串掛線方式大，這增加了橫擔的彎矩，進而增大了主材規格和塔質量。V串的使用方式分為2種：三相都用V串和中相使用V串、邊相使用I串。中相使用V串可以減小塔窗，有利于降低塔質量；邊相使用V串卻增加了橫擔的長度，會導致塔質量增加。因此V型拉線塔中導線采用V串、邊導線采用I串，一方面可減小塔質量，另一方面可減小線路走廊寬度，保護自然環境［1］。

2.2 V型拉線塔的塔頭型式方案優化

參照以往自立塔的塔頭型式，可將拉線塔塔頭設計成直橫擔式和橫擔上挑式。2種型式塔頭的優缺點見表1。

表1 2種塔頭型式比較Tab.1 Comparison of two types of tower head

通過桿塔試算比較，直橫擔式拉線塔全高比橫擔上挑式拉線塔高約1.62.0m，前者塔質量為后者的1.03倍。雖然橫擔上挑式拉線塔節點處理相對復雜，但是具有良好的經濟性，因此本文推薦在工程設計中使用該塔頭形式。

2.3 V型拉線塔的拉線設置方案優化

影響V型拉線塔受力狀態的另一個關鍵因素是拉線的設置方式。與自立式鐵塔不同，拉線塔的橫向剛度、縱向剛度以及結構的抗扭剛度都要靠拉線來提供。因此不論是拉線數量的選取，還是拉線與塔身的連接方式的優化，其目的都是為了更高效地提供這幾個方向的剛度。V型拉線塔的拉索一般與線路方向成45°前后各布置2根，這樣既可以平衡縱向張力，也可以承受結構上的水平風荷載，亦可抵抗斷線產生的扭矩。因導線掛點位于橫擔下平面，為使傳力更直接，拉線點也布置在橫擔下平面。

本文拉線塔的拉線型號為2根1×37－22.4－1570高強度鋼絞線［8］。拉線的設置方案優化包括拉線點的布置方式優化和拉線對地夾角優化。

2.3.1 V型拉線塔拉線點位置優化

一位紀檢干部曾講過這樣一個故事：在查閱一名違紀干部的履歷表時，他發現該干部曾有多次參加黨校學習和理論培訓的經歷，并且幾乎每次考核都為“優秀”。為此，該紀檢干部一時困惑：“這位履歷表堪稱完美的領導，為何竟會違紀？”學風不正、教育培訓走過場是癥結所在。

布置拉線時首先必須滿足電氣間隙要求，并應保證使結構受力清晰、減少拉線對結構的不利影響。傳統的做法是將拉線點布置在柱頂節點見圖3（a）。其優點是塔頭和拉線的荷載直接作用在主柱頂點上，結構受力清晰，橫擔本身沒有拉線產生的附加彎矩影響；缺點是邊橫擔外挑長度較大，使得導、地線斷線張力產生的扭矩作用較大，拉線錨點所跨面積較大、走廊寬度較大。另一種布置方式是將拉線點向橫擔內移，與中導線V串掛點設在同一條縱向線上，如圖3（b）所示。其優點是減小了邊橫擔外挑長度和斷線張力產生的扭矩影響，充分利用了塔窗空隙，同時走廊寬度也可減小；缺點是拉線作用增加了橫擔上的附加彎矩。

圖3 拉線布置方式Fig.3 Arrangement mode of guy

為了比較2種拉線布置方式的優劣，使用TOWER軟件對二者分別進行建模分析。結果表明，拉線布置方式一的塔質量比方式二大約5%。

計算結果表明橫擔和主柱的主材規格基本都是斷地線工況控制。因新規范地線的斷線張力為100%最大使用張力，而導線斷線張力為20%最大使用應力，使得本文拉線塔的地線斷線張力比導線斷線張力大約20%，因此導地線斷線張力產生的扭矩對結構的影響較為顯著。可見V型拉線塔對斷線工況較為敏感，減小橫擔外挑長度，進而斷線產生的扭矩對控制塔質量起決定性作用。因此本文推薦V型拉線塔采用第2種拉線布置方式。

2.3.2 V型拉線塔拉線對地夾角優化

拉線對地夾角直接影響著拉線本身的受力，同時也直接關系到塔柱結構的受力。拉線對地夾角一般將對地夾角控制在45°65°，如圖4所示。拉線角度的選取需綜合考慮拉線長度、拉線抗拉剛度、拉線錨點占地面積及拉線基礎作用力等方面的影響。拉線對地夾角減小時，會使拉線長度和占地面積增加，同時考慮邊導線間隙橫擔外挑長度也需調大，對結構受力不利；但拉線在水平和縱向的抗拉剛度也隨之增加，拉線拉力的豎向分力會減小，有利于主柱的受力，同時也可使拉線基礎作用力減小，減少基礎材料量。

圖4 不同拉線對地夾角Fig.4 Different angles between cable and ground

對拉線塔的拉線對地夾角在45°65°時的塔質量進行了比較，見表2。其中夾角較小時已考慮了橫擔外挑長度的增加。計算結果表明，拉線對地夾角越小，塔質量越小。但夾角較小時，因邊橫擔外挑長度加大增加了結構的扭矩，使得塔質量的減小幅度不大。拉線夾角變小的同時，拉線占地面積也越來越大，且夾角的變小給拉線基礎的設計也帶來困難。考慮到綜合效益，并參考以往工程的取值，建議拉線對地夾角不大于60°，對于一些荷載較大的鐵塔，可以適當減小對地夾角。

表2 不同拉線對地夾角的塔質量Tab.2 Tower weight with different cable angle to ground

判斷拉線對地夾角是否合理，可通過計算桿塔的撓度確定。根據文獻［6］的要求，在正常風速5m／s工況時，拉線塔頂部最大撓曲度不應超過2 H／1000＝98 mm。經計算，本文V型拉線塔在改條件下的撓度為12 mm，根據以往工程經驗，考慮到主柱初始變形加上螺栓滑移引起的變形量約為計算值的0.51.5倍，所以主柱最大撓度保守地取為30 mm。可見桿塔撓度遠小于規范允許值，拉線對地夾角可滿足桿塔的變形要求［6，9］。

2.4 V型拉線塔的主柱截面優化

2.4.1 截面形狀的選取

V型拉線塔的主柱為格構式柱，其斷面可以設置為矩形或方形。由于鐵塔所受外荷載較為復雜，可能承受來自各個方向的荷載，為保證塔柱在各個方向上的剛度盡量均衡，同時考慮后期設計、加工及安裝各環節的方便，所以截面適合設置成方形。

2.4.2 主柱寬度的優化

主柱寬度對塔質量的影響很大。當主柱角鋼規格一定時，柱寬越小，長細比就越大，主柱就越不穩定，但若柱寬過大，又造成材料浪費。因此有必要對主柱寬度進行優化設計。對拉線塔在不同主材寬度情況下的計算塔質量進行了比較，拉線對地夾角取60°，計算結果見表3。

表3 不同主柱寬度的塔質量Tab.3 Tower weight with different column width

由表3中數據可知，在本文給定的荷載條件下，拉線塔的主柱寬度取1.21.6 m時塔質量較小，取1.4 m時塔質量最小。主柱除承受塔頭和拉線傳來的軸向壓力外，還承受斷線張力產生的彎矩，以及主柱自重和水平風荷載產生的彎矩。主柱寬度越小，主柱的長細比越大，承受彎矩的能力越差，因此需增大主柱主材規格來提高抗彎剛度，使得塔質量增加。主柱寬度較大時，主材的規格變化不大，但是主柱斜材長度增加，導致塔質量有所增加。因此，拉線塔設計時需確定合理的主柱寬度，使主材規格加大和斜材長度增加二者對塔質量的影響降到最低。

3 鐵塔的經濟技術指標分析

通過以上各種參數的優化措施，可充分保證V型拉線塔在工程中應用的可靠性，同時拉線塔塔質量指標得以降低，體現了V型拉線塔的經濟性。下面對V型拉線塔與自立式鐵塔的經濟技術指標進行對比分析［10］。因拉線塔主要用于西北開闊地區，因此對它與自立式鐵塔做綜合比較時不考慮其占用土地的因素。在相同設計條件下，拉線塔與自立塔的造價對比以百分比形式列于表4。

表4 V型拉線塔與自立式鐵塔指標Tab.4 Cost between V－type guyed tower and self－standing tower %

由表4所列數據可知，V型拉線塔相對于自立式鐵塔來說，能顯著降低鋼材和混凝土的消耗量，具有明顯的經濟優勢，值得在西北開闊無人區推廣應用。

4 結 語

本文對V型拉線塔的拉線設置方案及主柱截面的優化設計方法進行了探討，并利用TOWER軟件對多種方案進行了對比計算。經綜合分析、比較得知：V型拉線塔鐵塔采用中相V串、邊相I串的掛線方式；塔頭采用橫擔上挑式；并將拉線點內置于橫擔；主柱采用方形截面，柱寬控制在1.21.6 m。此時技術經濟指標較優，與自立式鐵塔相比，綜合造價可降低約37%，具有顯著的經濟效益。

［1］楊磊，吳彤，郝陽，等.V型拉線塔在750 kV輸電線路工程中的應用［J］.電力建設，2012，33（3）：45－48.

［2］ASCE10—97 Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.ASCE，1997.

［3］ANSI／AISC360—10 Specification for Structural Steel Buildings［S］.ANSI／AISC，2010.

［4］郭峰，李晨，施菁華，等.直流輸電線路雙柱懸索拉線塔設計［J］.電力建設，2012，33（5）：78－81.

［5］GB50545—2010110 kV750 kV架空輸電線路設計規范［S］.

［6］DL／T5154—2002架空送電線路桿塔結構設計技術規定［S］.

［7］GB50017—2003鋼結構設計規范［S］.

［8］YB／T5004—2001鍍鋅鋼絞線［S］.

［9］GB50389—2006750 kV架空送電線路施工及驗收規范［S］.

［10］DL／T5219—2005架空送電線路基礎設計技術規定［S］.