輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計研究

賈小剛

（廣州市電力工程設計院有限公司,510000）

輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計研究

賈小剛

（廣州市電力工程設計院有限公司,510000）

本文回顧了鋼管塔結構發展以及介紹了鋼管塔在行業內外使用情況，結合了鋼管塔的結構特點，分析了鋼管塔荷載計算和動力效應問題，并鋼管塔的內力和材質的選擇做了詳細的概述。

輸電線路大跨鋼管塔；應用；結構設計研究

0 引言

眾所周知，我國幅員遼闊是一個占地面積龐大，人口最多的國家，隨著現代化的發展，我國的電力需求巨大，超高壓架空輸電線路工程已然成為了我國急需的重要戰略，但由于我國地理位置的制約在架設過程中會遇到很多難題，其中河網的密布地域的廣闊成為了超高壓架空輸電線路工程的天然屏障。在過去幾十年的努力下，我國已掌握了跨越塔設計的豐富經驗，本文特此回顧了跨越塔設計的歷程，并總結了相關經驗，詳細的介紹了鋼管塔的設計。

1 跨越塔的結構類型和鋼管塔的應用情況

1.1 跨越塔結構介紹

跨越他塔形主要分為鋼筋混凝土結構、組合角鋼格構式結構、焊接鋼板格構式結構和鋼管結構。鋼筋混凝土結構是早期運用的技術，在條件比較不發達的時期，材料的加工技術還有待提高，只能勉強運用混凝土式跨越塔，這類型的跨越塔的顯著缺點就是笨重，而且塔的高度很低及不利已特高壓的輸送。相比較后期淘汰了鋼筋混凝土結構，發現運用鋼板作為材料即耐用，又能夠適合高壓輸電線路的高度，便有了組合角鋼格式結構、焊接鋼板格構式結構和鋼管式結構，其中組合角鋼格式跨越塔運用很廣泛，無論是國內還是國外都是比較常用的，拿我們國內來說徐上線鎮江大跨越塔就是這種類型，塔高180米，可傳輸500伏高壓電力。像文明遐邇的珠江跨越塔采用的則是組合角鋼斷面型式。焊接式鋼板格構式結構也偶有運用，相比較小的輸電線路都合適鋼板式結構塔。另外一種重要的跨越塔結構形式就是鋼管塔式大跨越塔，由于現代材料的強度的提升，國內外的相關專家發現鋼管塔式跨越塔很有應用前景，尤其是現代科技對鋼材強度的提高，很利于這一跨越塔的發展。

1.2 鋼管塔的使用介紹

鋼管式結構在行業內是一種高聳的構架，它在著名的建筑設計中運用的很廣泛，當然我們熟悉的也運用的普遍，我們熟知的電視塔通信塔導航塔輸電塔，其中英國bbc廣播公司采用的多邊形鋼管塔結構形式很引人注目，現如今已成為當地的地標性建筑。

談到鋼管式跨越塔，就不得不提到日本和韓國這兩個具有豐富經驗的國家，這兩個國家在鋼管塔的設計和制造方面走在前列，日本在電力輸送方面普遍采用鋼管式結構，尤其是日本的跨海輸電工程，就連當初日本的第一條1000千伏的跨海輸電試驗線都是采用的高強度鋼材的鋼管塔。韓國在這方面也是憑借著強大的工業技術在輸電線路方面也是全面采用鋼強度鋼管式塔。

2 鋼管塔式面臨的問題

鋼管塔的基本構建是圓斷面鋼管，在體形系數方面，較型鋼斷面小很多，但在實際的加工中鋼管的斷面是N邊形近似圓，這樣的圓存在菱角問題。在實際的焊接過程中經常需要焊接腳釘、連接板等掛件，本身加工出來的斷面就不光滑，由于又需要添加的掛件，所以在鋼管構建前的體形系數選擇上就要合理。通常鋼管表面光滑的鋼管塔整體體型系數為角鋼塔體型系數的0.6倍，但需要考慮還未添加腳釘和其他掛件這時就不能以0.6倍來計算了，而需要在實際操作中以0.82倍進行計算。

在實際整塔構件件會存在截面細微差別，而且還受橫向風震動的影響，在施工前一定要進行風洞試驗測試，以確保細管的截面之差控制在合理的范圍內，有經驗的可以根據以往的施工經驗控制這一截面差。根據數據庫的記載主材的長細控制在120以內比較合理，斜材和輔助材料的長細比要在160以內較為合理，根據數據庫的資料再結合建筑構造進行計算，也能控制好構件橫向振動產生的影響。

另一個突出的問題就是受到高度的影響鋼材會受到風向荷載，隨著構件的高度和鋼材的設計的不同而風向載荷也會大有不同。在計算風荷效應時，風荷系數一定不要選用一般的輸電塔采用的定值，需要根據風洞測試的具體結果并根據相關的單位曾經做過類似的高塔風振的研究進行比較，合理的運用風荷系數。下面是風荷系數的計算公式：

3 輸電線路大跨越鋼管塔的結構設計研究

3.1 鋼管塔內力計算

完成鋼管塔結構模型建設，后面就是對結構進行內力分析，內力分析我們采用的是內應力分析軟件，內應力軟件能精確的描繪結構第一振型，振型中的內應力參數可以很好的為我們鋼管塔結構構架提供重要參考。此外，內應力軟件大多數只能考慮結構第一振型，采用線性分析方法有明顯的局限性，一旦高度很高構件復雜時，第一振型會有明顯的偏差，此時的線性分析出來的參數會有明顯的誤差。因此，在進行對高度比較高又復雜的塔進行分析時，一定需要考慮結構的高振型，并對結構的二次效應進行分析，二次效應可以通過有限元模態對局部構件的影響考慮進去，從而得出來的數據更加準確。

鋼管塔構件的截面選擇上除了考慮結構內力、強度以及穩定性，還要對材料的長細比、徑厚比、節點局部穩定性綜合考量。一般的再內力相同的情況下，斷面直徑加大可以減小管壁，對塔重也可以減輕，節省材料，但有利同時也有弊，對于直斷面徑的加大，會造成擋風面積變大，會對管壁的穩定性造成影響，在考慮徑厚的時候一般有嚴格的標準，盡量將徑厚控制在D/d小于100以內，避免鋼管的內應力過大使得自身局部彎曲。

鋼管在壁厚方向上也存在受力問題，在歐美一些國家，他們對壁厚有嚴格的要求。鋼材設計中明確要求焊接鋼結構材料屈服極限要控制在355MPa以內，甚至有的提高到了460MPa，但我國普遍屈服極限沒有統一的標準，在塔的建設上我們要有嚴格的標準。

3.2 鋼管塔節點選擇

通常鋼材的主體結構采用的是“KK”、“TT”節點方式，在斜材和輔助材料方面則采用的是“x”、“k”、“T”、“*”四中節點方式，每種節點方式，要對應相應的計算公式，并且每個計算公式都有相應的適用條件。適用條件為：（1）主管和支管要相通；（2）支管外徑和主管外徑比要在0.2到1之間；（3）支管外徑和支管壁厚比要在60之內，主管外徑與壁厚比要控制在100以內；（4）主管和支管的夾角要大于30°

3.3 鋼管塔的設計要求

鋼管塔結構簡單，但在設計結構處會有復雜的節點，甚至有的局部還出現三相應力集中的狀態，這是設計時最不能看到的狀態，在設計過程中要盡量避免出現應力集中的區域，要對可能出現的構造采取特別的處理方法。特別是導線與地線的掛點處，以及橫擔與塔身的節點處，急需注意避免重心偏離或者應力集中的現象。

（1）焊接前，對于比較大的插板，要提前對插板進行剖口以及預熱處理。

（2）焊接薄壁鋼管和后板時，焊縫的位置不能太高，防止對母材的破壞，以及造成鋼管的承受能力不足。

（3）布置塔腿法蘭、加勁板和地腳螺栓時要注意檢查，出現碰撞的配件會造成影響。

（4）交叉斜材叉點要適當加大不開段的直徑，避免兩管徑相通的位置出現開段的想象。

（5）在塔體附屬設施與主體塔身的鏈接處，要注意附屬設施的強度，對于屈服極限和強度極限都要在嚴格的標準之內，相應的還要滿足變形要求，特別像走道、陽臺、樓梯之類得附屬設施。

4 結束語

輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計研究對于我們的特高壓輸電系統的建設能提供重要的技術支持，同時也進一步為我們的特高壓輸電技術走出國門奠定了基礎。

[1]董建堯-輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計-創新、科學、發展研討交流會-2014（2）：12-13

[2]明進文-輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計探討-《電子測試》-2015（4）：21-22

[3]蘭長俊-輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計分析-《低碳世界》-2016（3）：31-32

[4]劉磊-淺談輸電線路大跨越鋼管塔的應用和結構設計-《建筑與發展》-2014（3）：26-23

賈小剛1982年04月01日，男，漢，廣東省廣州市，現任職單位：廣州市電力工程設計院有限公司，工程師，輸電線路設計。

Application and structure design of large span steel pipe tower for transmission line

Jia Xiaogang
（Guangzhou Electric Power Engineering Design Institute Co.,Ltd.510000）

This paper reviews the development of steel tower structure and introduces the steel tower used in the industry home and abroad,combined with the structure characteristics of steel tower,steel tower load calculation and analysis of the dynamic effect,and the internal force and the steel tower in the choice to do a detailed overview.

transmission line large span steel tube tower;application;structure design research