魯固特高壓直流黃河大跨越鐵塔設計

姚元璽，張麗娟

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

魯固特高壓直流工程黃河跨越段長3.702 km，跨越方式為“耐張塔—直線塔—直線塔—直線塔—耐張塔”，最大檔距1 356 m，大跨越塔高度為122 m，設計基本風速為33 m／s，導線覆冰厚度取15 mm，地線設計冰厚取20 mm。跨河段導線選用特強鋼芯鋁合金絞線JLHA1／G4A-900／240［1-3］。大跨越桿塔負荷較一般鐵塔負荷增加，桿塔外形尺寸較大，結構型式復雜，傳統的設計理念和手段在跨越塔設計中存在一定的局限性，因此應從新的角度和高度認識大跨越桿塔受力的復雜性。

從桿塔塔型、塔材選擇、結構布置、節點構造、設計計算、附屬設施等方面對大跨越桿塔進行設計優化，保障跨越塔安全可靠運行，對該工程的實施以及降低投資具有非常重要的意義。

1 塔頭布置

大跨越塔塔頭型式優化一般執行以下原則：滿足電氣間隙要求；塔頭布置緊湊，傳力路徑簡潔明晰。導線掛線方式采用“I 串”，針對該種掛線方式，選擇4 種塔頭型式做比較，如表1 所示。

第1 種塔頭方案外形較為美觀，布置合理緊湊，結構傳力直接，塔重指標最優，近幾年多條特高壓直流輸電工程大跨越桿塔均采用了此種結構型式，設計、施工經驗豐富，為直線跨越塔塔頭布置的推薦方案。

2 構件斷面型式選擇及材質選擇

2.1 斷面型式選擇

目前國內常用的大跨越塔斷面型式主要有鋼管塔、組合斷面角鋼塔和鋼筋混凝土塔3 種型式。這3種塔型各具特色，均有工程實踐和設計經驗可以借鑒。3 種塔型的優缺點詳見表2。

表1 不同塔頭型式比較

表2 3 種塔型的優缺點

對于鋼筋混凝土塔，從國內已建的大跨越鋼筋混凝土跨越塔來看，均曾不同程度地出現過裂縫、露筋、混凝土剝落等現象，影響塔的耐久性；另一方面由于鋼筋混凝土塔自重較大，基礎工程量增加較多，從而增加了本體工程的造價。從施工方面來看，鋼筋混凝土塔筒體的澆筑須在基礎施工完成后才能進行，導致施工周期加長。考慮到以上不利因素，不采用鋼筋混凝土塔。

鋼管塔由于良好的截面特性和簡潔美觀的結構型式，已在大跨越鐵塔設計中占有越來越重要的位置。從加工制造上看，目前國內許多加工廠都具備了軋制大尺寸圓形與多邊形鋼管的能力；從施工安裝方面來看，鋼管塔構件數量與組合斷面角鋼塔相比，約可減少60%以上，這將給鐵塔運輸和吊裝中桿件的核對、堆料、組裝等帶來諸多方便，可以縮短安裝周期［4］。

在經濟性方面，對大跨越直線塔按鋼管塔與角鋼塔進行計算比較，如采用角鋼塔，則大跨越直線塔塔身主材需采用四組合格構柱型式，增加大量的綴板和螺栓，結構構造極其復雜。選用鋼管塔，桿件數量少，節點構造明顯比角鋼結構簡潔，且單基塔重比組合斷面角鋼型式輕20%左右。同時由于塔身風荷載較小，鋼管塔的基礎作用力較角鋼塔明顯降低，因此基礎材料耗量也相對較低。綜合考慮鋼管與角鋼的價格差異，鋼管塔較角鋼塔綜合造價降低5%左右。

綜合以上技術和經濟性等方面的分析、比較，直線跨越塔推薦采用鋼管塔。

2.2 材質選擇

采用高強度鋼管能有效提高截面承載能力，在相同荷載作用下，可有效降低鋼管截面尺寸，對大跨越直線塔而言，塔身風荷載所占比重較大，由于擋風面積減小而降低的塔身風荷載將進一步減小鐵塔主材內力，因此通過采用高強度鋼管材料，可得到更優的塔材指標。

對大跨越直線塔采用Q460、Q420 高強度鋼材和Q345 鋼材進行比較，結果如表3 所示。

表3 不同材質經濟性比較

由表3 可看出，主材采用Q420 材質與Q345 材質相比，節省塔重約7%，節約造價約4%，經濟性明顯；Q460 塔與Q420 塔相比，節省塔重約3%，節約造價約1%，經濟性差異不大。

目前，輸電線路行業在Q420、Q460 高強鋼管塔的設計、加工上已具備了一定的經驗。但Q460 鋼管塔在輸電線路上的應用尚在起步階段，其可焊性差，對焊接工藝、焊接人員技術資質要求較高，各項設計指標在我國鋼結構設計規范中也并沒有明確規定。相比之下，Q420 鋼已列入我國鋼結構設計規范，設計強度指標等相對明確，質量水平相對穩定，加工經驗相對成熟，在國內特高壓交流輸電線路中已進行了大規模的應用。同時考慮到Q460 鋼管相對Q420鋼管在經濟性方面并無明顯優勢，因此跨越直線塔推薦采用Q420B 高強度鋼管塔。

3 跨越塔動力特性及風振系數計算

3.1 風振系數理論計算

跨越塔呼高139 m，全塔高度143 m，風荷載對結構的內力計算值影響最大，而風荷載包括平均風和脈動風，脈動風產起的風振響應通過風振系數來體現［5］。基于隨機振動理論，高度h 處的風振系數βz（h）為：

式中：Pdl（h）為塔身段振型風振力；Ps（h）為靜風荷載；μs（h）為桿塔體型系數；μz（h）為風壓高度變化系數；w0為桿塔所在地區的基本風壓；A（h）為高度h 處桿塔迎風面的面積［6］。

Pdl（h）按照隨機振動理論計算，應用有限元分析軟件對桿塔風振響應時程進行計算，根據分析結果進一步推算大跨越桿塔的風振系數。

3.2 大跨越塔振型計算及風振系數取值

采用有限元法建立主材梁單元、斜材桿單元的混合單元模型進行動力分析，考慮鐵塔前三階振型，分別為垂直線路方向的一階平動模態、順線路方向的一階平動模態以及扭轉振型，頻率依次為1.020 Hz、1.011 Hz、2.08 Hz，根據文獻［4］規定，對于塔架結構，可僅考慮結構第1 階振型影響。黃河跨越段直線塔的第1 階振型系數如圖1 所示（H 為桿塔總高度）。

圖1 振型系數（第1 階振型）

跨越塔風振系數如表4 所示，對其進行加權，可得加權βz為1.785，桿塔風振系數并非隨著高度線性增加，在橫擔位置數值發生突增，原因是全塔質量分布不均勻，尤其是大跨越塔橫擔長度長，集中質量大。因此，跨越塔設計時需注意通過合理布置塔身結構使桿塔質量上下分布盡可能均勻。

表4 大跨越塔風振系數

4 節點設計

4.1 法蘭設計

以往鋼管塔結構中，法蘭連接節點往往采用剛性法蘭、柔性法蘭和鍛造法蘭［7］，這3 種法蘭的優缺點為：剛性法蘭剛度大、強度高，但是焊接工作量較多，影響其加工效率；柔性法蘭無加勁板，可大幅減少焊接量，但是其剛度相對較小，螺栓受到法蘭端部的翹力作用，整體受力性能較差，應用并不廣泛；鍛造法蘭加工周期短、焊接工作量小，但螺栓同樣受到翹力作用，目前在工程中已有使用；柔性法蘭由于整體受力性能不佳、螺栓受力及規格較大，不適合大跨越桿塔使用。對于剛性法蘭和鍛造法蘭，有必要進行經濟比較，以便優選法蘭形式。

針對剛性法蘭和鍛造法蘭，采用Q420 材質鋼管、Q420 法蘭及8.8 級螺栓進行了技術經濟比較，見表5。從表5 中數據可知，剛性法蘭的綜合造價約為鍛造法蘭的70%～80%，剛性法蘭的經濟性優于鍛造法蘭。另外，對于大跨越桿塔，鍛造法蘭厚度較厚，加工難度大，目前國內對Q420 鍛造法蘭的鍛造工藝還不成熟，成品質量較難保證。因此建議大跨越塔采用剛性法蘭。

表5 剛性法蘭與鍛造法蘭對比

4.2 螺栓設計

8.8級高強度螺栓目前已在輸電線路工程中廣泛使用，其使用規格一般在M24—M56 之間，質量穩定。10.9 級高強度螺栓雖然在線路上應用不多，但已列入國家標準，且在其他鋼結構中已有應用，但10.9級螺栓強度較高，其脆性也相應增大，產品質量不易保證，鍍鋅后質量更不穩定，且在輸電線路中使用經驗不足。

采用8.8 級螺栓，質量上有較為可靠的保證，且在線路工程中有較為成熟的運行經驗；對于10.9 級螺栓，設計上雖然已經具備條件，但是如何保證其加工質量及成品的合格率，是制約工程質量的重要因素。因此大跨越塔推薦采用8.8 級螺栓。

5 施工及檢修設施

5.1 登塔設施

為方便檢修維護人員登塔作業，跨越直線塔一般設置多種登塔措施，包含動力提升裝備、爬梯以及腳釘等。各種登塔裝置的特點見表6。

表6 登塔設施比較

表7 動力載人提升裝置造價對比 萬元

綜合比較，攀爬機加斜爬梯具有安全簡易、攀爬舒適、材料耗量小、設備價格低等優勢，推薦為跨越塔的主要攀爬方式。

攀爬機主要有2 種型式：一種為利用鋪設于塔面上的導軌，通過齒輪齒條連接傳動，將吊籠提升至塔頂；一種為在塔中心專門設置攀爬機桁架井筒，導軌敷設在井筒上，垂直上下移動。設置于塔面上的攀爬機導軌構造簡單，只需在塔面橫隔處預留導軌掛孔，較中心井架方式，節省鋼材，造價較低，為推薦方式。

斜爬梯采用沿塔面斜材盤旋而上的方式，登塔較為輕松，運行維護方便。當爬梯在塔身正面隔面處遇到攀爬機時，爬梯進入塔身內部，沿隔面布置，繞過塔面攀爬機后再上升至斜材處，沿斜材繼續爬升。

5.2 施工及檢修設施

為減輕施工、運檢人員的工作強度，保障人身安全，大跨越塔考慮設置附屬設施。

1）塔身分段處、斜爬梯轉向處均設置休息平臺，并與攀爬機小平臺相連，方便人員上下。

2）走道寬度0.65 m，護欄高度1.2 m。走道與休息平臺連接，能夠到達導、地線掛線位置以及其他需要設備維護處。

3）塔身所有橫隔面四周、導地線橫擔兩側均在1.2 m 高度處加設水平拉索，提高操作人員橫向運動時的安全感。

4）主材鋼管接頭法蘭以下1.0 m 處安裝用于懸掛施工人員操作站位平臺，法蘭下部0.3 m 左右設置安全帶掛鉤，加強施工人員安全度，保證分段組塔時大直徑法蘭的順利連接。

5）超過3 m 長的鋼管構件最少有一側設置雙向腳釘，便于運檢人員安全順利到達每一個節點。

6 結語

大跨越桿塔選用導線、地線復合一體橫擔布置的燕翅型結構，外形美觀，結構緊湊，受力簡潔；大跨越桿塔塔身推薦采用鋼管結構，構件材質可采用Q420 高強鋼；采用隨機振動理論計算了大跨越塔分段風振系數，其在橫擔位置數值突變；大跨越桿塔采用剛性法蘭連接，螺栓采用8.8 級；登塔設施采用攀爬機加斜爬梯方式，并在塔身適當位置和橫擔處設置休息平臺和走道，以方便檢修維護人員登塔作業。