輸電塔結構優化方法研究

吳 昀

（福建永福鐵塔技術開發有限公司 福建 福州 350001）

輸電塔結構優化方法研究

吳 昀

（福建永福鐵塔技術開發有限公司 福建 福州 350001）

在我國科學技術飛速發展的大環境下，對于電力的需求也越來越大，所以對電力的運輸上也需要更加專業的技術進行支持，而輸電塔作為電力運輸的主要載體也需要不斷的設計與完善。本文就輸電塔的運作和利用效果展開，對輸電塔結果的優化方法進行較為深度的研究。

輸電塔；結構；優化；改進

優化長期以來都是學術研究、經濟管理等專業領域的重要研究課題，其主要的形式是在眾多的實踐和理論方案中尋找到最好的方案，從而對實際的應用產生最大化的有力效應。在輸電塔的實際應用過程中，在一些自然條件惡劣的情況下，輸電塔往往表現出了無法讓人滿意的結果，所以從短期的角度來看，如何在不理想的自然環境下減少對輸電塔環境材料的損耗是現階段的一個目標，而從長遠的角度來看，隨著經濟的快速發展和材料成本的降低，如何提高輸電塔的可靠性保障電力資源高效的運輸則是一個值得長期探索的課題。

1　輸電塔結構優化的意義

高壓輸電是輸電和配電的主要方式，具有輸送容量大、能源損耗小、輸送功率可調控、輸送效益高、環境污染少等優點。在我國2025年的電力規劃中，包括了一項建設十幾條大型輸電線路的計劃，這將是未來我國開展“西電東輸”的中堅力量，在整個投資建造的過程中，對于輸電塔的投資超過了總投資的30%，在輸電的安全性上有著十分重要的作用[1]。合理優化輸電塔的結構、提高鋼材利用率、提高鐵塔承載力和可靠度是節約投資成本從而得到更多的經濟效益的重要環節。

優化設計是60年代發展起來的學科，是將最優化原理和計算機技術應用于工程設計的科學設計方法。優化設計是尋找最優設計方案的技術，即一種設計方案不僅滿足所有設計要求，而且所需支出最小。輸電塔的結構優化是從工程優化設計中發展起來的，目前的輸電塔結構優化主要是以重量為目標函數的滿應力設計的方式，這類似于構件截面的優化設計。通過這樣的優化方式得到的結果并不能完全保證設計的準確度和相關規范的嚴格性，還需要更多的實際操作來進行不斷改變。只有在選擇了能夠做到的最好設計結構才能夠得到理想的預期目標，輸電塔的結構優化引入設計優化新理念也將會是我國的電力輸送建設上的新變革。

2　輸電塔的結構特點和類別

輸電塔是一種空間桁架結構，支持導線和避雷線。作為高壓送電線路的主要支撐物，現在主要的構件是熱軋等肢角鋼和鋼管，選用螺栓連接或者法蘭連接，也有少數國家會采用冷彎型鋼或者鋼筋混凝土型結構[2]。

根據結構的型式和特點和受力的型式，輸電塔的結構分為拉線式和自立式兩種，拉線式輸電塔一般用于電壓等級較低的電路，自立式輸電塔因為占地少且穩定性高的特點被廣泛應用在高電壓等級的輸電線路中，如圖1～2所示。

圖1　拉線式輸電塔

圖2　自立式輸電塔

根據輸電塔在實際應用中的廣泛程度，本文主要對自立式輸電塔的結構優化做出研究。

3　輸電塔的荷載

作用于輸電塔的荷載按性質可分為永久荷載、可變荷載和特殊荷載。永久荷載包括鐵塔構件、導地線、金具及其它固定設備的自重荷載，可變荷載包括風荷載、覆冰荷載、導地線和臨時拉線的張力、施工時的臨時荷載等，特殊荷載包括由于斷線引起的不平衡張力、由于不均勻覆冰引起的不平衡張力、地震荷載等。

輸電塔的荷載按作用的方向可分為水平荷載、垂直荷載，水平荷載又分為橫向荷載和縱向荷載。

我國的輸電塔結構設計時的計算荷載取值與工況組合主要是根據國家標準《110～750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）和電力行業標準《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》（DL/T5154-2012），這里就不再詳述。

4　截面優化

結構優化設計具有截面優化、形狀優化和拓撲優化幾個層次，截面優化是更高優化層次的基礎。滿應力的設計理念就是對一個固定結構的布局，通過截面尺寸的調整，使其能夠承受的荷載潛能得到充分的發揮，即在多種荷載作用下、在多種約束條件控制下，結構的每一根桿件在至少一種荷載情況下應力達到允許值。現基于滿應力設計方法進行輸電塔結構截面優化設計相關問題的探討。

4.1一般假定

（1）假定輸電塔的每根桿件兩端節點為理想鉸接；

（2）建模時不考慮桿件兩端連接螺栓、板件的剛度影響；

（3）假定輸電塔腿部為固定約束；

（4）假定輸電塔的外荷載均作用于桿件節點。

4.2優化方案

目前輸電塔結構設計主要采用滿應力設計方法，而結構優化主要通過設計經驗的總結、塔型試驗數據和理論分析相結合的方法來實現。這種滿應力的優化方法以構件截面積為優化變量，以鐵塔總質量最輕為優化目標，再加上優化約束條件來解決問題，可用以下模型表示：

式中：Ai-為構件截面積；li-為構件長度；ρi-為材料密度；σi與λi-分別為構件的應力和長細比；[]、]、]-分別為材料允許拉應力、允許壓應力、允許穩定應力；[λi]-為構件允許長細比，n-為設計變量數目。對于型鋼材料，有材料表S={S1，S2，S3，…，Sm}，m為離散截面型號數目。

約束條件是優化過程的迭代依據，根據《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》（DL/T5154-2012），有對于輸電塔的相關約束條件：

（1）對強度的約束：

式中：N-為軸心拉力或壓力的設計值；m-為構件的強度折減系數；An-為構件的凈截面面積。

（2）對穩定性的約束：

式中：φ為輸電塔軸心受力構件的穩定系數；A為構件的毛截面積；mN為壓桿穩定強度的折減系數。

綜合這些約束條件，在輸電塔結構上進行的選材計算。傳統的滿應力優化設計中設計變量為連續變量，而輸電塔結構中采用的角鋼或鋼管的截面尺寸現已規范化，是離散的變量，如果作為連續的變量對待的話，需要對優化結果進行調整，不僅增大了工作量還不能保證結果為最優，不利于實際的應用。只有采用離散變量來分析，才能在實際的操作中不對形成較大的誤差。優化步驟如下：

②進行結構內力分析，得到各桿件在計算的工況下的內力值和應力值；

③對第i桿件，考察材料表，選取滿足所有約束條件的截面規格并記錄此時的最大截面編號；

④依次考察所有桿件，得到A（k），并計算總重W（k）；

在離散變量設計的過程中，優化設計通過對離散變量的特點分析，不需要在可行域內無目的的搜索，可以利用函數的相關技術計算，從而確定方向來搜索，在整個的過程中，即節省了不必要的工作量又對優化的方向進行了精確，達到了最優的設計方法。

4.3優化中束函數和時間的處理

離散變量可以優化設計中的誤差，通過在優化設計中對有限的離散點中展開搜索，結合函數的差商確定搜索的方向，可以解決目標函數的單調遞增、約束函數的單調遞減等問題。并且在不滿足于約束方程的界面上進行不斷的調整，對于滿足的則進行回調，對此過程不斷的循環，直到全局的精確度達到滿意的標準。這樣可以在效果上做到最優化[7]。

為了解決在優化效率上的問題，采用相對差商優化的方法，并利用原始數據中對于輸電塔的材料信息和材料類型進行分析，減少優化時的變量數，給優化的效率提供了很高的保障，對于程序的輸出結果進行嚴格的計算和評估，在所有的細節上做到不缺不漏。

5　形狀優化

形狀優化主要是尋找使結構總重量最輕的外形和構件尺寸。輸電塔結構的形狀優化包括塔高、變坡位置、根開大小、導地線橫擔長度及高度等，這其中更多的考慮了電氣間隙的要求，而單個節間的尺寸和形狀則對外形尺寸影響不大。

輸電塔結構形狀優化可用以下模型表示：

式中：A-為面積變量；n-為桿件數；X-為坐標變量；S-為材料表；m-為離散截面型號數目；nn-為坐標變量數、分別為坐標變量的下限值和上限值；gk-為從規范中產生的約束條件，包括強度、穩定、長細比等。當X取定值時的形狀優化即轉化為截面優化問題。

形狀的改變會造成結構整體剛度變化進而影響截面應力，導致桿件截面變化，如果每次截面變化后都進行內力分析必然使工作量非常龐大。對于實際輸電塔結構，節點坐標并不是任意方向變化的，可以利用輸電塔結構的特殊性、結構對稱性、荷載的對稱性和設計要求等對優化變量進行限制和歸并，減少設計變量的數目，減小優化數據的規模。

6　結束語

本文通過對輸電塔結構的優化做出一些方案的構思，目的在于對國家的電力輸送以及輸送方案改進做出有效的參考價值。輸電塔的結構優化是一項復雜而且十分重要的工作，對于在其在工程項目中的應用價值還有很多都是值得探討的，筆者認為，在結合以下的幾個方面對于輸電塔的優化也有著一定的幫助：通過與大型的有限元件ANSYS相結合，從而進行二次的開發；對優化設計理論的不斷深入研究，對優化計算數據的不斷精確，從而找到最合適的優化算法來進行輸電塔結構設計和優化；對輸電塔的本身構架研究，更進一步進行結構拓撲優化，開拓出新型的輸電塔結構形式。

[1]崔磊.輸電塔結構優化設計理論及應用[D].同濟大學土木工程學院，2009（7）：88.

[2]宋夢嬌.高壓輸電塔結構優化設計方法的研究[D].華北電力大學，2013（12）：34～35.

[3]王藏柱，董桂西.架空輸電鐵塔形狀優化的研究[J].華北電力大學學報. 2001，28（2）：100～104.

[4]儲開宇.輸電鐵塔結構形狀優化設計.華北電力大學，2005（3）：23～26.

[5]李林，宋夢嬌，王達達，陳曉云.輸電塔架設計中的離散優化方法研究.華北電力大學學報，2012（11）：35～39.

[6]周旸，蘇橋磊.基于ANSYS分析的高壓輸電塔結構動力特性研究[J].山西建筑，2014（35）：52～53.

[7]武金瑛，孫煥純，趙雪川.離散變量結構優化設計的相對差商遺傳算法[J].計算力學學報，2006，23（6）：690～695.

TU347

A

1673-0038（2015）18-0185-03

2015-4-15