高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

摘要：高壓輸電線路的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)乎到電網(wǎng)的質(zhì)量，并進一步對其電能的供應質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，應按國家的基本建設(shè)方針與經(jīng)濟技術(shù)政策優(yōu)化高壓輸電線路設(shè)計。為了提高高壓輸電線路的運行質(zhì)量，鋼管桿在郊、城區(qū)輸電線路工程中得到了廣泛的應用。據(jù)此，本文結(jié)合實踐經(jīng)驗，淺析高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：鋼管桿；高壓輸電線路；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）5（c）-0000-00

0引言

與普通水泥桿和角鋼塔相比，鋼管桿具有造型美觀、安裝方便、使用壽命長和占地面積小等優(yōu)點，但其造價非常高。因此，為了降低鋼管桿的造價及充分發(fā)揮其在高壓輸電線路工程中的作用，應優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般來講，鋼管桿結(jié)構(gòu)采用的是基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，而鋼管桿的可靠度則用可靠度指標量來加以度量，注意在這一設(shè)計過程中，應將鋼管桿的制造、施工、運維方法及環(huán)境等因素考慮其中，同時應嚴控鋼管桿的剛度、強度和穩(wěn)定性等要素。據(jù)此，分別討論高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)參數(shù)及其影響要素的優(yōu)化設(shè)計。

1鋼管桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

在高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應注意優(yōu)化如下參數(shù)：

1.1鋼管桿撓度

在高壓輸電線路中，鋼管桿選材的控制要素一般以撓度控制為主。據(jù)研究結(jié)果顯示，在計算強度達到要求的情況下，鋼管桿的運行撓度超過30‰，這將嚴重影響鋼管桿的強度，而當計算撓度達到要求時，材料強度將有較大富余。依據(jù)DL/T5130-2001可知，直線桿與轉(zhuǎn)角、終端桿的桿頂允許撓度分別為5‰、20‰，但需滿足一定的計算工況條件：風速5m/s、無冰及取正常使用極限狀態(tài)所對應的荷載等。顯然，上述規(guī)范對鋼管桿撓度的規(guī)定較寬松，因此在鋼管桿制造和安裝中，應采取如下措施來控制鋼管桿的運行撓度：一是在制造鋼管桿時預彎桿身；二是在安裝鋼管桿時進行預偏，其中方法一的效果很好，但工藝要求高，而方法二的施工難度低，但其易在加載后出現(xiàn)拱形變形。一般來講，預彎或預偏的極大值應比設(shè)計撓度值小或兩者相等，同時應在無日照環(huán)境中測量撓度，以免溫度變化影響桿身的變形。

1.2鋼管桿梢徑

在鋼管桿的桿頂撓度控制中，梢徑一般其決定性的作用。據(jù)研究結(jié)果顯示，在鋼管桿的力學模型中，截面慣性矩與撓度呈負相關(guān)，同時依據(jù)DL/T5130-2001可知，鋼管桿的截面慣性矩 ，式中，c表示與截面形狀有關(guān)的常數(shù)，一般在十二邊形截面中，c取0.411；D表示截面直徑的平均值；t表示鋼板的厚度。據(jù)此，從對撓度的作用來看，鋼管桿直徑遠比鋼板厚度大，且當其他外形參數(shù)既定的條件下，通過增加梢徑的尺寸，可提高鋼管桿的剛度及降低桿頂?shù)奈灰屏俊?/p>

1.3主桿坡度

桿身坡度一般取決于桿塔的荷載，且鋼管桿的荷載與彎矩包絡(luò)圖的斜率呈正相關(guān)，因此需將主桿的坡度控制在較高水平。但從撓度控制的角度來看，梢徑不宜太小，因為過大的坡度必定會增大根徑，從而造成材料浪費和影響美觀。因此，在鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應通過控制桿身坡度和梢徑來控制鋼材的用量，即在荷載條件一定的情況下，采用多方案組合的方式優(yōu)化桿塔坡度和梢徑的設(shè)計，然后再通過比較計算重量來確定桿身坡度的最佳值。

1.4桿身分段長度

為了實現(xiàn)鋼管桿壁厚的均勻變化，需將鋼管桿分成長度約為10cm的桿段，其中桿段長度的控制應滿足運輸、模壓和熱鍍鋅的要求。當鋼管桿的壁厚偏大時，應適當縮減桿段的長度。另外，鋼管桿的合理分段可優(yōu)化每一桿段的應力比，詳見表1。當鋼管桿的計算長度為1.0m時，通過調(diào)節(jié)每一桿段的分段長度，可提高其利用率。

2鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計影響條件的優(yōu)化控制

高壓輸電線路鋼管桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計除了要對其主要技術(shù)參數(shù)進行控制以外，還應對其他要素進行優(yōu)化控制，具體控制要素如下：

2.1優(yōu)選氣象條件

通過對線路沿線的氣象資料進行數(shù)理統(tǒng)計及結(jié)合已有的經(jīng)驗積累，確定鋼管桿運行環(huán)境的氣象條件，即：110-330kV、500-750kV輸電線路的大跨越重現(xiàn)期分別取30年和50年，注意在實際使用中，不得過大取用大跨越重現(xiàn)期。

2.2桿塔結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)

一般來講，在臨時、一般重要和特別重要高壓輸電線路中，桿塔結(jié)構(gòu)的重要系數(shù)應分別取0.9、1.0、1.1，從而降低鋼管桿的建設(shè)成本。

2.3區(qū)分桿塔的類型

正確區(qū)分鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計中桿塔的類型，即將耐張桿和直線桿區(qū)分開來，以免導地線對直線桿產(chǎn)生拉力作用。還應對桿塔使用轉(zhuǎn)角度數(shù)進行合理規(guī)劃，以免實際使用角度比設(shè)計角度小，從而減小桿塔的荷載。針對終端桿而言，還應區(qū)分進線檔的設(shè)計，比如π線路、T接線和分支線路所用的桿塔，需將荷載組合考慮其中。

2.4優(yōu)化使用檔距

通常而言，應通過計算比較地線和導線的最大使用張力來選取地線與導線的安全系數(shù)，其中導線安全系數(shù)一般取6-8，而地線安全系數(shù)取10-11。另外，為了保證設(shè)計的經(jīng)濟性，鋼管桿的水平檔距與垂直檔距應分別取Lp-120-150m、Lv200-250m。

2.5桿頭與呼稱高

在鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先應將電氣的間隙要求考慮其中，然后再在這一條件下控制線路走廊的寬度及優(yōu)化桿頭與橫擔的長度，同時還應將城區(qū)10kV線路與樹木、路燈的交叉跨越高度考慮其中。在實際設(shè)計中，桿頭與呼稱高度的優(yōu)化目標應選為桿塔重量最輕，同時適當考慮到根徑的尺寸。一般來講，對單或雙回路桿塔而言，應將其呼稱高極差控制在3m，而多回路桿塔則應控制在2m。

2.6選桿塔材料

針對大截面、多回路的導地線及數(shù)分裂的導地線而言，其桿塔材料應選為Q420或Q460高強鋼，如此既可保證桿塔的使用質(zhì)量，又可減少材料的用量。

2.7優(yōu)化桿塔的結(jié)構(gòu)型式

通常一般桿塔可按正多邊形進行單桿設(shè)計，而針對導地線張力大、轉(zhuǎn)角大、線路回路數(shù)多的桿塔，則應進行雙桿設(shè)計，其中在這一設(shè)計環(huán)節(jié)，應注意如下要點：嚴控水平面上導地線與雙桿的投影交叉角度，并增大在大張力方向上的計算寬度；在桿身與橫擔的連接處進行局部補強，從而實現(xiàn)減輕桿塔重量的目的。

2.8優(yōu)化主桿截面形式

依據(jù)DL/T5130-2001可知，在高壓輸電線路中，鋼管桿截面的常用形式包括環(huán)形、十六邊形、十二邊形、八邊形、六邊形和四邊形等，其中環(huán)形截面的慣性矩最大，但其受力條件最優(yōu)，然而在實際使用中，高壓輸電線路鋼管桿主桿的截面一般采用的是多邊形，其中十二邊形在110kV鋼管桿中最為常用，而十六邊形常用在大荷載鋼管桿中，注意這一應用現(xiàn)狀主要由加工條件所決定。另外，在寬厚比的影響下，當主桿截面的變數(shù)較多時，其受力條件更多，且材料的耗費最少，但此時的加工難度也會更高。相對于棱錐形鋼管桿，圓錐形的剛度更高及力學條件更有，但對于棱錐形而言，當期棱邊數(shù)增加至足夠大時，其剛度將與圓錐形鋼管桿無限接近。

3討論

據(jù)所述內(nèi)容，優(yōu)化直線桿GCZ1-27、轉(zhuǎn)角桿GSJ2-25的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)果表明，當梢徑為300mm及桿身坡度為0.01時，直線桿GSZ1-27的計算重量出現(xiàn)最優(yōu)值，而當坡度<0.008時，直徑D的增速明顯減緩，則為了增加截面的慣性矩，需增加壁厚；當坡度>0.12時，也應通過增加壁厚來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性，但會降低桿段的利用率。與此相比，當梢徑為450mm及桿身坡度為0.015時，轉(zhuǎn)角桿GSJ2-25的計算重量出現(xiàn)最優(yōu)值，注意在計算中，梢徑的增加會減少鋼管桿的撓度，且在梢徑為550mm及桿身坡度>0.019時，撓度控制基本不會對桿身計算產(chǎn)生任何影響，但會降低桿段的利用率。總之，在高壓輸電線路中，鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化項目多且覆蓋面廣，且鋼管桿的撓度、梢徑、截面形狀、主桿壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)及桿塔結(jié)構(gòu)型式、主桿截面形狀、桿塔類型等影響要素都會對鋼管桿結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在保證剛度和強度的條件下，應通過優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)參數(shù)及影響要素來提高鋼管桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，從而為高壓輸電線路的穩(wěn)定運行提供保障性條件。

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作者簡介：陶冶（1984—），男，河北石家莊人，碩士研究生學歷，工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究。