特高壓直流線路黃河大跨越鐵塔設計

劉洪昌，駱　強，楊　明，辜良雨

（1.西南電力設計院有限公司，成都　610021；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南　250021；3.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南　250012）

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特高壓直流線路黃河大跨越鐵塔設計

劉洪昌1，駱強2，楊明3，辜良雨1

（1.西南電力設計院有限公司，成都610021；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021；3.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

摘要：黃河大跨越鐵塔作為上海廟—山東特高壓直流輸電線路的關鍵節點，具有高度大、負荷大等特點，應進行詳細地優化設計，以達到安全可靠、經濟美觀的目的。通過對塔頭型式、結構方案進行比對，推薦ZKT直線跨越塔采用展翅型鋼管塔，同時對鐵塔的口寬坡度、隔面型式、節點處理等進行了詳細設計優化，并設計了人性化高、經濟性好的附屬設施方案。

關鍵詞：黃河大跨越；塔頭型式；結構優化；材料；連接；附屬設施

0　引言

±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電線路工程是我國西電東送、優化能源配置的重要特高壓線路，通過輸送綠色能源，對東部的大氣污染防治起到有效緩解作用。本工程在棗包樓處跨越黃河，跨越方式采用“耐—直—直—耐”，耐張段長度為2 766 m，檔距分布為724 m、1 037 m、1 005 m，其中兩岸直線跨越塔呼高均采用100 m。

大跨越作為輸電線路的關鍵節點，且高度大、負荷大，有必要進行詳細地優化設計，以達到安全可靠、經濟美觀的目的［1］。

1　塔型選擇

導線和地線的布置，除滿足電氣間隙要求及導地線發生舞動時的絕緣間隙外，還應考慮桿塔結構布置的合理性。本工程大跨越塔塔頭型式的優化原則是：在滿足電氣間隙的前提下，塔頭尺寸盡量合理緊湊，同時保證塔頭結構布置簡潔、傳力清晰。

根據電氣間隙以及地線對導線的保護要求，大跨越塔的塔頭布置一般有導線、地線橫擔分開布置和導線、地線復合一體橫擔布置兩種類型，4種布置方案。地線掛線部位設計采用三角外懸結構，外力通過三角結構直接傳到橫擔主材，結構穩定，力傳遞路徑簡捷，適當的外懸長度還可減小橫擔端部尺寸及坡度。不同塔頭布置型式的比較見表1。

通過比較，方案1展翅型外形舒展美觀，同時電氣間隙配合較緊湊，結構受力簡潔。與其他方案相比，其塔身高度低，桿塔所受風荷載小，同時橫擔長度有所減小，塔重小。目前，±800 kV哈密—鄭州特高壓直流線路、±800 kV靈州—紹興特高壓直流線路等工程的大跨越直線塔均采用該種塔頭型式，運行狀況良好。因此，ZKT直線跨越塔采用方案一展翅型。

表1　跨越塔塔頭型式比較

2　結構方案選擇

目前，國內外已建成的大跨越塔型主要有鋼筋混凝土塔、角鋼塔和鋼管塔等型式。其中，鋼筋混凝土塔只在鋼材價格較高的情況下才有一定的優越性，但其自身質量大，對地質條件要求高，基礎材料耗量大，且混凝土塔筒的澆制質量較難控制，以往的大跨越工程中曾不同程度地出現過裂縫、露筋、鼓肚、狗洞等現象。因此，本工程跨越塔不采用混凝土塔。角鋼塔、鋼管塔目前均有工程應用經驗，其對比結果見表2。

從結構受力特性來看，由于大跨越桿塔高度高，塔身風壓對桿件內力的影響很大，經初步計算大跨越塔塔身風荷載占整個桿塔系統風荷載的比重為50%～60%，所以選用塔身風荷載效應較小的鋼管塔結構型式尤為重要［2］。

從加工制造方面來看，目前國內加工鋼管塔已不存在技術問題，許多加工廠都具備了軋制大尺寸圓形鋼管的能力，而且加工質量都比較好。

施工安裝方面，鋼管塔的構件數量與組合斷面角鋼塔相比，可減少60%以上，這對鐵塔運輸和吊裝中桿件的核對、堆料、組裝等提供諸多方便，可以縮短安裝周期，施工質量容易控制，也有利于施工安全。

表2　角鋼塔與鋼管塔對比

另外，在國內外鋼管塔已具有良好的設計、施工、運行經驗。早在20世紀70年代開始國內先后成功設計了一系列的鋼管塔，±660 kV寧東—山東直流工程黃河大跨越、500 kV濱州—東營—壽光黃河大跨越、±800 kV哈密—鄭州直流特高壓黃河大跨越等工程均采用了鋼管塔，設計、施工、運行經驗豐富。

因此，ZKT直線跨越塔采用鋼管塔。

3　塔身結構優化

3.1塔身截面選擇

塔身截面主要有方形截面和矩形截面兩種，方形截面剛度較強，對于跨越塔，塔高較高，橫向的水平風荷載較大，為保證跨越塔在縱向、橫向的整體剛度，推薦跨越塔塔身斷面采用方形。

3.2塔身坡度的優化

塔身坡度取值對鐵塔單基重量有著重要影響，它直接影響主、斜材的規格。塔身坡度越大，主材受力越小、基礎作用力也越小，但斜材長度增加；反之，主材受力加大，基礎作用力也加大，但斜材長度減小。合理的塔身坡度應使塔身主材應力分布的變化與材料規格的變化相協調，使主材受力均勻；同時，還應考慮到塔身坡度對鐵塔占地面積和基礎造價的影響，力求做到鐵塔和基礎綜合造價最低。

為此，對ZKT直線跨越塔塔身上段坡度（坡度范圍0.055～0.090，級差0.005）和下段坡度（坡度范圍0.09～0.13，級差0.01）分別進行了優化計算，結果見表4及圖1。

表4　不同坡度組合下對應塔重

圖1　ZKT塔重隨塔身坡度變化關系

從圖1、表4可見，塔身上段坡度取0.075、下段坡度取0.11時，塔重指標最低。因此，根據塔重最輕原則，推薦本工程跨越塔塔身上段坡坡度取0.075、下段坡度取0.11。

3.3塔身隔面優化

合理的設置塔身橫隔面，可有效地增加結構的抗扭剛度，對向下傳遞結構上部因外荷載產生的扭力、均衡塔身構件內力具有明顯的作用。

根據構造要求：在鐵塔塔身變坡處、直接受扭力的斷面處和塔頂及塔腿頂部斷面處必須設置橫隔面；在塔身坡度不變段內，橫隔面設置的間距一般不大于平均寬度的5倍，也不宜大于4個主材分段。當大跨越桿塔要設置鐵塔攀爬機時，為了使其水平風荷載能有效地傳遞至塔身，且考慮登塔設施在塔身中段的停靠，橫隔面設置的間距不宜過大，建議不超過40 m。常用的隔面型式見圖2。

圖2　鋼管塔中常用的隔面型式

大跨越鋼管塔的橫隔面型式應力求簡潔，可靠，傳力清晰，同時考慮爬梯及攀爬機軌道風荷載的傳遞。與型式c相比，型式a無法有效傳遞攀爬機軌道的風荷載，型式b隔面不能形成筒型結構，不利于鐵塔組立時懸浮抱桿的架設，型式d布置復雜，傳力不夠簡潔，因此推薦采用隔面型式c。

4　節點優化

一般情況下，鋼管塔是按空間桁架模型做整體計算，節點均為鉸接，但實際設計中節點處理并不是完全鉸接。一般來說，節點處的主管是連續的，與支管的連接可以是鉸接也可以是部分剛性連接。這樣既可以提高塔的整體剛度和穩定性，又不至于造成過大的計算誤差。

鉸接一般用于鋼管塔主管與支管間的連接，主要連接型式為插板連接。部分剛性連接主要分兩大類：法蘭連接和相貫焊縫連接。

4.1法蘭連接

在鋼管塔結構中，法蘭連接［3］節點往往采用有加勁肋的剛性法蘭、無加勁肋的柔性法蘭和鍛造法蘭，如圖3～5所示。

圖3　剛性法蘭節點

圖4　柔性法蘭節點

圖5　鍛造法蘭

剛性法蘭剛度較好、強度較高，但是大量的手工焊接工作量使得法蘭的加工效率低下。柔性法蘭盡管省去了大量的加勁板的焊接，但是其剛度較差，法蘭的螺栓受到法蘭端部的翹力作用，影響法蘭整體的受力性能。鍛造法蘭在1 000 kV皖電東送工程中廣泛應用，采用對焊帶頸法蘭，焊接工作量大大減少、法蘭剛度能得到保證，且生產效率大大提高。但鍛造法蘭單價較高，且鍛造法蘭需與被連接的兩個鋼管規格相匹配，每個型號的鍛造法蘭均需制作相應模具，需求量較少時采購十分困難。

鑒于大跨越工程的重要性并結合采購難易度，ZKT直線跨越塔法蘭連接推薦采用剛度大、連接可靠的剛性法蘭。

4.2相貫焊縫連接

鋼管塔的桿件交匯點一般優先采用相貫線焊縫連接。其優點在于剛度和承載力大，不用輔助連接材料，用鋼量小，但是相貫線和坡口切割質量要求較高；當焊縫較厚時，焊縫殘余應力和變形較大。

對于導線橫擔主材與塔身主材的連接以及受力較大的斜材與主材連接，推薦采用相貫線焊縫連接。

4.3插板連接

插板連接［4-5］，連接螺栓受剪，屬于鉸接，相比相貫連接和法蘭連接加工方便，安裝也更容易，但節點剛度較小。

根據形狀進行分類，插板主要分為槽型插板、U型插板和十字插板等3種型式。

槽型板連接如圖6所示。本連接方式屬于單剪連接，支管通過焊縫將力傳遞給槽型板，槽型板通過螺栓傳遞給連接板，連接板再通過焊縫傳遞給主管，該連接方式節點存在偏心，但其加工安裝方便，適用于輔材和受力較小的斜材。

圖6　槽型板連接

U型板連接如圖7所示。本連接方式通過支管上的U形插板和主管上的連接板之間螺栓的雙剪來傳遞內力。支管通過焊縫將力傳給U形板，U形板通過螺栓將力傳給中間插板（連接板），連接板再通過焊縫將力傳給主管。與單剪連接相比，節點不存在偏心，承載力較大，相比相貫連接用鋼量較省，但該連接方式節點側向無支撐，受壓時局部穩定較弱，因此，只適用于受拉構件。

圖7　U型板連接

十字型板連接如圖8所示。本連接方式屬于雙剪連接，節點不存在偏心，承載力較大，相比U型插板加工和安裝比較方便，且該連接方式局部穩定性較好，適用于受力較大的斜材和不適合采用相貫連接的桿件。

圖8　十字型板連接

5　附屬設施

5.1登塔設施

為確保在各種實際及突發情況下，檢修維護人員均可進行登塔作業，同時，確保作業人員可到達鐵塔任何位置，大跨越鐵塔應包括多種登塔途徑，包括載人提升裝置、爬梯或旋梯、腳釘或腳釘管等。

ZKT直線跨越塔全高104.5 m，塔高較大，人工登塔措施推薦采用腳釘及沿塔面的斜爬梯。除此之外，該塔還需設置動力載人提升裝置。目前，常用的大跨越鐵塔動力載人提升裝置包括攀爬機［6］（見圖9）、施工升降機及井筒式電梯3種方案。結合本工程的實際情況，各方案對比如表5～6所示。

圖9　攀爬機結構

通過對比可以看出，攀爬機每次安裝、拆卸不超過15 min，具有裝拆簡便，耗時最短，對鐵塔受力影響最小，成本最低，自備電源等優點。與攀爬機相比，施工升降機和井筒式電梯擋風面積大，施加給鐵塔的風荷載大，因此對鐵塔影響較大；需要專人維護和保養，檢修維護工作復雜繁瑣，維護成本較高；需要設置外接電源，使用不便；造價高。因此，本工程呼高100 m的兩基跨越直線塔推薦采用攀爬機的動力載人提升裝置。

表5　動力載人提升裝置技術特性對比

表6　動力載人提升裝置造價對比　萬元

5.2休息平臺及步道

為減輕施工、檢修人員的勞動強度，提高人身安全保障，本次跨越塔設計還考慮了附屬設施。

跨越塔塔身分段裝設休息平臺，并與斜爬梯轉向小平臺和攀爬機停車位置小平臺緊密相連，方便人員上下；跨越塔橫擔、通往航空障礙燈處以及連接休息平臺和攀爬機處均應設置安全走道，寬度為650 mm，兩側設置1.2 m高的護欄，如圖10所示。走道應與登塔設施或休息平臺相連，并能到達各掛線點和需要維護設備的位置。

圖10　橫擔走道

6　結語

對±800 kV上海廟—山東特高壓直流輸電線路黃河大跨越鐵塔進行選型和優化設計采用ZKT直線跨越塔，外形尺寸和間隙圓見圖11。塔頭型式為展翅型，桿塔材料為鋼管塔，塔身截面采用方形截面；最優尺寸為頭部開口寬度6.8 m，采用1次變坡，上段坡度0.075，下段坡度0.11；塔身合理設置隔面，提高塔身抗扭剛度；主材與主材連接及構件開斷連接采用剛性法蘭，橫擔主材與塔身主材的連接以及受力較大的斜材與主材連接采用相貫線焊縫連接，對剛度要求較小的節點采用插板連接并根據受力特性合理選擇槽型插板、U型插板或十字型插板。對附屬設施進行設計，人工登塔措施為腳釘及沿塔面的斜爬梯，同時設置攀爬機作為動力載人提升裝置；在塔身適當位置設置休息平臺，橫擔及連接休息平臺和攀爬機處設置走道，減輕施工、檢修人員的勞動強度，提高人身安全保障。

圖11　大跨越塔外形及尺寸

參考文獻

［1］GB 50790—2013±800 kV直流架空輸電線路設計規范［S］.

［2］DL/T 5504—2015特高壓架空輸電線路大跨越設計技術規定［S］.

［3］DL/T 5254—2010架空輸電線路鋼管塔設計技術規定［S］.

［4］韓大剛，黃興，肖兵，等.“皖電東送”工程特高壓鋼管塔設計總結及建議［J］.電力建設，2013，34（4）：85-90.

［5］李茂華，楊靖波，李正良.輸電線路鋼管塔插板連接節點試驗研究［J］.武漢大學學報（工學版），2012，45（4）：495-499.

［6］單軍.鐵塔攀爬機在大跨越塔上的應用研究［J］.宿州學院學報，2013，28（8）：89-91.

Tower Design of UHV DC Transmission Line Crossing the Yellow River

LIU Hongchang1，LUO Qiang2，YANG Ming3，GU Liangyu1
（1. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2. Economic & Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3. State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:As a key node of the Shanghai-Shandong UHV DC power transmission line，the tower for long span crossing the Yellow River has features of high height，heavy loads，etc. It is necessary to optimize the design of tower in detail，so as to achieve the purpose of safety，reliability，economy and beauty. Compared type of the tower head and structure scheme among towers，the scheme that ZKT straight line crossing tower adopted wings type steel tube tower is recommended. The width，slope，cross sections，and connection joints of the tower are designed in detail. Finally，assistant facilities with high humanization and great economic are proposed.

Key words:long span crossing the Yellow River；tower head type；structure optimization；material；connection；assistant facility

中圖分類號：TM754

文獻標志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0014－05

收稿日期：2016-04-10

作者簡介：

劉洪昌（1987），男，工程師，從事輸電線路結構設計工作。