窄基塔高度根開比優化的研究

聶磊

國網江西上饒供電分公司饒電設計院 江西上饒 334000

1 窄基塔概述

窄基塔根開優化是啟發式優化方法中的一種常用的優化方法,它亦屬于形狀優化的范疇。根開的優化是在簡要力學的基礎上,從分析塔身坡度與各約束條件的關系入手,尋求最小根開的方法。窄基塔屬于大型的空間桁架結構,近年來在電力輸送方面得到了廣泛的應用。在理論分析的基礎上,結合工程的實際情況,國家頒布了《架空送電線路桿塔結構設計技術規定(DL/T5154-2002)》要保證結構的可靠性,設計過程中必須嚴格按照規范的要求,滿足強度、撓度穩定性等約束條件。圖1所示的是一座同塔四回直線輸電塔。

圖1 塔體簡圖

2 窄基塔優化方法

2.1 工程概況

選擇江西省某220kV輸電線路中窄基直線塔型進行優化。塔體按同塔四回路塔型設計，如圖1所示，塔頭形式采用干字型，塔身用鋼管作為塔體主材，斜材及輔材采用等邊角鋼，設計氣象條件為江西。選用的導線為（JL/GIA-630/45）鋼芯鋁絞線，安全系數k=2.5，地線選用鋼絞線JLB30-150，安全系數k=3。塔體的荷載按照《110kV-750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）的要求進行計算，并按規范進行工況組合。塔體高71.4m，根開為6.04m，高度根開比為11.82。

2.2 窄基塔優化和靜定化假設

滿應力準則指出：結構在多工況作用下，各桿件中的應力達到飽滿時結構的重量最輕。在超靜定結構中，內力與構件截面有著密切的關系,若截面仍按內力根據應力飽滿的原則修改,則單元面積的改變將會導致結構的內力原來達到的飽滿狀態的部分也超限,由于截面的取值已經確定,所以可以假定此時的內力如靜定結構中內力一樣不發生變化,再按照滿應力準則修改截面,將修改的截面作為新的參數重新計算內力,這樣循環著迭代下去,直到截面收斂于最優值為止[1]。滿應力準則優化設計流程見圖2。

2.3 優化方法

送電鐵塔設計軟件中通常應用的是滿應力準則法，較少考慮多工況、多約束情況，主要對截面尺寸進行優化，更高層次的形狀優化尚處于探索階段。目前,有采用引進廣義變量近似的方法對送電鐵塔形狀優化，方法可行，但實際運用比較困難。本文研究的窄基塔優化是基于滿應力準則，從合理確定塔腿坡度對鐵塔進行整體優化，塔頭部分不作變化。塔體在強度和穩定上通常有較大富裕，優化以撓度為主要控制條件，建立強度控制的簡化計算公式，輔助以強度驗算，方法相對簡單，具有較好可操作性。

圖2 滿應力準則優化設計流程圖

（1）撓度控制。塔體的撓度計算運用ANSYS有限元軟件來實現。ANSYS有限元模型的建立采用命令流方式，將塔體根開設為一變量d，對根開賦值，為不同根開的塔體建模提供了方便；塔體主材為鋼管，選用pipe16單元；斜材及輔材為角鋼，按截面面積和回轉半徑相等的原則對其轉換后，再采用pipe16單元建模。根據《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》：對直線型自立式鐵塔，在荷載的長期效應組合作用下，桿塔的計算撓曲度不應超過3h/1000，其中，h為自地面起至計算點處高度。

（2）強度控制。輸電塔塔身受力主要受風荷載與導地線施工或斷線時產生的橫向荷載控制，輸電塔的兩側弦桿軸力以及腹桿與根開的乘積構成力偶用于抵抗這些橫向荷載形成的彎矩。計算單元簡圖如圖3所示。

圖3 計算單元簡圖

通過平面幾何關系可得：

將h1帶入可得主材應力與坡度的關系式為：

強度約束條件為：σ≥f

（3）窄基塔優化。優化設計程序框圖如圖4所示。

圖4 優化設計程序框圖

3 結語

以滿應力準則，以窄基塔撓度為主要控制條件，輔助以強度驗算，從合理確定塔腿坡度為入手，建立了塔窄基塔高度根開比優化方法。結合武漢市木蘭變-王家墩變220kV輸電線路工程進行了優化和經濟性分析，結果表明，優化方法相對簡單，具有較好的可操作性。通過合理控制塔窄基塔高度根開比，對窄基塔塔身進行優化，鋼材用量雖略有增加，但用地減少效果明顯。綜合分析表明，所提出優化方法安全可行，具有良好的經濟效益和推廣應用價值。