淺談輸電線路桿塔結構設計

王飛 王軍 張濤

摘要：架空輸電線路桿塔在整個電網線路中都占據著非常重要的地位，其結構設計的合理與否，對電網線路是否能夠正常、穩定、安全的運行具有重要的意義。隨著科學技術的不斷發展，社會正在逐步推廣和發展特高壓電網建設新技術，這也給架空輸電線路桿的設計帶來了新的研究方向。本研究從桿塔結構設計中面臨的主要問題出發，結合工作實際，對這些問題進行了探討和研究，并簡要介紹了線路桿塔結構研究的主要方向。

關鍵詞：輸電線路;桿塔型;結構設計

1桿塔設計目前面臨的主要問題

1.1桿塔結構形式的選擇問題

在對桿塔結構進行研究時，一方面是研究桿塔的結構與承載力的關系，如桿件強度的運算方法，桿端節點結構的設計運算方法等;另一方面是研究桿塔的模型，即結構形式的選擇問題，如塔頭類型、坡度、根開、鐵塔節間等的布局和優化方法。經濟效益和有效的質量一直都是選擇架空輸電線路桿塔的結構型式時所必須首先考慮的問題。根據目前的科學技術水平來看，拉線塔是被世界公認的經濟效益最明顯的桿塔結構形式。拉線塔具有多種形式，其結構較輕，應用比較廣泛，其中比較著名的有拉線拉索桿塔，這是一種相間無構架的拉線塔，在特高壓工程中是一種理想的桿塔結構。但是，拉線塔的缺點也十分明顯，其受環境因素影響十分嚴重。比如在城市附近或高山地區，由于地形較為復雜，給打拉線和運輸施工帶來的非常大的困難，因此在我國，特高壓線路多采用拉線塔，局部地區采用自立式鐵塔。常見的自立式鐵塔有單回線路、雙回供架鐵塔等，由于其有較強的機械強度，所以很少有故障的發生故障，在一些較為復雜的地形中應用廣泛，但其制作難度相對較大，且投入的成本也很多。

1.2桿塔強度問題

從一般角度來講，桿塔的結構形式、受力形式、以及桿塔的材料等往往都會影響到桿塔的強度。架空輸電線路的建造是一個長期的工程，一旦建造好后，會常年進行工作，因此作為導線和避雷線的支持物，桿塔必須要有一定的荷載承受能力，其強度和剛度都必須滿足一定的要求，才能確保桿塔的質量穩定。對于桿塔強度問題的研究，主要方向包括以下幾點，一是結構關鍵性系數的研究，二是桿塔的負載周期、設計風速以及塔的靜動態荷載計算方法的研究。此外還包括桿塔的荷載組合原則研究。其中，桿塔結構的關鍵性系數主要決定于由結構可靠度指標來進行研究分析和確定，而負載周期則主要是針對塔的風振系數，對高壓導線的荷載組合進行研究。目前，應用比較廣泛的是桿塔截面為環形截面。這種構件相比于其它構件來講具有很多獨特的有點。例如：其各方向承載能力均相等，加工起來方便，而且節省材料，可以大大的減少投資等等。并且這種環形截面的鋼筋混凝土構件不管在強度還是在剛度上都滿足相關要求。需要注意的是，在對構件進行研究加工時，必須注意鋼筋的張拉處理，保證桿塔不產生裂縫，延長其使用壽命和穩定性。

2.輸電線路桿塔結構研究

2.1桿塔荷載

對桿塔荷載的研究，主要研究結構重要性系數、風荷載重現期、最小設計風速等的取值和桿塔的靜力和動力風荷載計算方法以及桿塔荷載的組合和取值原則。結構重要性系數和風荷載重現期，主要基于對結構可靠度指標的分析來確定;風振系數主要針對高塔來進行;荷載組合主要研究導線的斷線原則、張力取值以及與風、冰荷載的組合條件。這些外荷載取值的研究，目的是掌握桿塔外部荷載更為合理的作用和變化規律，為桿塔結構設計提供較為客觀的依據。

2.2桿塔結構設計方法

桿塔結構設計方法的研究，一方面是研究桿塔結構設計中的分析計算力學模型、桿件承載力計算方法、桿端節點構造設計計算方法等;另一方面是研究桿件選型、塔頭型式、塔腿型式、坡度、根開以及塔身斷面、塔身斜材、橫隔面等的布置與優化方法。目前，鐵塔一般按照理想鉸接的整體空間桁架來設計。假設節點的約束為理想鉸接，將整個塔架作為超靜定空間體系，根據平衡條件和變形協調關系求解塔架的內力和變形，再根據強度和穩定性條件完成鐵塔設計的選材工作。

3.我國輸電線路桿塔結構的未來研究方向

當前，氣候條件復雜多變，現行的桿塔結構的設計技術存在著不少不相適用的地方。電壓等級的提高、新型輸電技術的應用，使得桿塔結構復雜、高大的發展趨勢愈加明顯。在這種情況下，如何保證安全可靠、經濟合理、具有更好的抵御自然災害的能力，是當前桿塔結構研究的重點。

3.1設計理論體系

總體來看，我國輸電線路鐵塔結構設計理論較為傳統，需要適應發展需求，形成完善的、更為先進的理論體系。常規的設計方法是以線彈性結構分析理論為基礎的，如何將結構分析的非線性理論、桁架結構極限設計的理論和方法等現代結構分析方法應用到輸電鐵塔設計中，需要進一步深入研究。在加工誤差、初位移、初應力對桿件承載力的影響等方面，還缺乏深入研究和明確結論。需要繼續研究導線與桿塔、桿塔與基礎的相互作用，并在此基礎上，研究導線、桿塔以及基礎的一體化設計方法。

3.2荷載取值

桿塔荷載的取值，目前偏重于與靜力風荷載有關的幾個關鍵參數的研究。對于動力風荷載的取值，還缺乏較為深入和系統的研究。對冰荷載的取值，由于線路地形復雜、幅員遼闊以及可供利用的氣象資料較少，目前大多根據調查數據和工程經驗來確定，尤其是微地形、微氣象區域的冰荷載的取值，研究工作偏弱。對風、冰荷載組合以及與斷線工況組合的取值，也需要加強研究。

3.3節點構造計算方法

我國輸電鐵塔與國外的相比偏重偏大，除設計理念、材料性能等方面的因素外，節點構造上的差異也是重要原因之一。目前，對新材料、新性能節點的研究還不充分，節點構造對桿件承載力的影響還需進一步的研究。

3.4 設計計算軟件

目前行業內采用的設計計算軟件較為陳舊，很少將近年來一些新的研究成果和成功經驗納入其中，在設計方法上存在明顯漏洞，如風振動力荷載的考慮和計算。設計時根據桿塔主要結構參數大致確定風振系數，通過不斷循環的靜力分析對桿塔進行選材，但結構的動力特性并沒有經過往復校驗。“數字化電網”是未來輸電線路設計、運行和維護的必然發展趨勢。在研究、摸清線路機械力學系統在各種氣象和地理條件下的動力學行為的基礎上，需要研究開發輸電線路一體化設計軟件平臺。

3.5新材料的應用研究

我國鐵塔結構以熱軋等肢角鋼為主，構件型式單一，鋼管構件的應用剛剛起步。在國外，鋼管構件、不等邊角鋼、冷軋薄壁型鋼、卷肢角鋼等均有大量應用。鐵塔材料強度低，我國普遍使用Q235和Q345 兩種鋼材，國外受力大的桿件大都采用高強度鋼材。目前剛剛進行Q420、Q460 的研究及推廣，但在實際運用中還存在一些問題。需要繼續加強高強鋼管塔、耐候鋼塔、冷彎型鋼塔的應用研究。也有必要開展復合材料在輸電鐵塔上的應用研究。

4.結語

架空輸電線路桿塔作支撐著整個電網線路，具有重要的意義和研究價值。隨著市場經濟的快速發展，各種新的電網問題也不斷發生，對于線路設計者來說，必須嚴格要求自己，推廣應用先進的科學技術，從而保證桿塔結構設計的可行性、經濟性、合理性。

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