330 kV垂直出線塔結構設計

王寧璧，應 捷，王甲麟

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.中國電力工程顧問集團新能源有限公司西安分公司，陜西 西安 710032)

0 引言

西北地區采用的常規330 kV戶外GIS一般采用A、B、C三相水平排列，構架采用帶端撐的人字柱門型排架結構，由于受出線門型構架寬度的限制，使得變電站垂直于出線方向的尺寸并未因采用GIS設備而減小，不能最大限度地發揮GIS布置緊湊的優勢。因此提出了垂直出線布置方案，利用導線垂直排列的方式，進一步減小出線間隔寬度，充分發揮GIS布置緊湊的優勢。為了適應垂直出線布置，一種不同于門型排架結構的出線塔結構應運而生。

目前，配電裝置垂直出線布置多見于城市中220 kV及以下電壓等級的配電裝置，某工程的110 kV雙回垂直出線塔（單桿塔）如圖1所示。對于330 kV GIS垂直出線布置，導線拉力及出線高度均較220 kV出線塔大得多，結構受力要求更高，330 kV GIS垂直出線布置若采用單桿塔結構，強度及位移均無法滿足規范限值要求，擬采用抵抗矩更大的格構式塔結構。垂直出線格構塔，是將獨立格構塔的頂、上、中、下四層橫擔前后錯開，俯視類似“*”形布置，使A、B、C三相導線及地線在空間上垂直布置，兩回出線共用一基出線塔。

圖1 某工程的110 kV雙回垂直出線塔(單桿塔)

1 設計條件

1.1 輸入條件

1)基本風壓：Wo=0.37 kN/m2

2)站區的地震動峰值加速度值為0.20g(相應的地震基本烈度為Ⅷ度)，地震動反應譜特征周期為0.55 s。

3)極端最高氣溫41.8℃，極端最低氣溫-18.3℃。

1.2 塔架布置型式

西安北750 kV變電站工程，330 kV配電裝置采用戶外GIS布置，垂直出線，為配合電氣布置的要求，出線構架采用獨立塔式結構，單塔上兩側對稱布置兩回出線，或單側布置單回出線，從上往下依次為A、B、C相。單塔上設置8個懸挑的橫擔，其中6個用于出線掛線，2個用于地線掛線。塔高37.5 m，掛點分別在18.0 m、25.5 m、33.0 m、37.5 m標高處。導線橫擔自塔柱中心線懸挑5.75 m，C相又自塔柱中心線沿出線向懸挑5.0 m，A相又自塔柱中心線背出線向懸挑5.0 m，地線橫擔自塔柱中心線懸挑7.25 m。330 kV垂直出線塔透視圖如圖2所示，立面圖如圖3所示。

圖2 330 kV垂直出線塔透視圖

圖3 330 kV垂直出線塔立面圖

1.3 計算荷載

330 kV GIS垂直出線塔上作用的荷載有導線拉力、風載、覆冰荷載以及地震作用和溫度作用等。

導線拉力由電氣專業提供，本期出線有掛2分裂LGJ-300/40導線的，也有掛4分裂LGJ-300/40導線的，導線拉力不同，遠期同一回出線按掛上述兩種導線的可能分別考慮。4分裂LGJ-300/40導線水平拉力30 kN，垂直拉力23 kN；2分裂LGJ-300/40導線水平拉力18 kN，垂直拉力12 kN；地線水平拉力10 kN，垂直拉力3 kN。導線及地線偏角-5°～45°，偏向遠離塔柱側。

塔架受的風載除考慮垂直于或平行于寬面的風向外，還得考慮沿對角線方向的風載，有 +X、-X、+Z、-Z、+X+Z、-X+Z、+X-Z、-X-Z共8個方向的風荷載[1]。一般塔式結構的基本自振周期T≥0.25 s，由風引起的結構振動比較明顯，而且隨著結構自振周期的增長，風振也隨著增強，因此設計時均應考慮風振的影響[2]。DL/T 5457—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[6]中風振系數βz對于桿塔本身，當全高不超過60 m時，全高采用一個系數。

塔架受的覆冰荷載由電氣專業在導線拉力中考慮。

對于比較高柔的塔式結構，風振的影響一般要大于地震的影響，但是如果結構的重量較大，又處在地震高烈度區，則地震的影響會更強烈些。因此建造在地震高烈度區(本工程地震基本烈度為Ⅷ度)的塔式結構，要充分考慮地震作用的影響，以保證結構的安全。GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[4]規定，對于烈度8度以上地區的高聳結構，應計算豎向地震作用。水平及豎向地震作用均采用反應譜法計算。

對于塔式結構，由于主體結構暴露在外，受溫度作用影響較直接，同時塔體縱向尺寸較大，溫度效應的累計作用明顯[5]。DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計技術規程》[6]規定，在計算溫度作用效應時，應根據工程具體條件合理選擇計算溫差，本工程計算溫差取△t=+50℃、△t=-40℃，在最大風環境溫度條件下運行時，計算溫差可取△t=+35℃、△t=-35℃進行計算。

1.4 荷載與作用的組合

330 kV 垂直出線塔采用極限狀態設計法設計，即承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。

1)對于承載能力極限狀態，塔式結構及構件應按荷載效應的基本組合進行設計。

2)對于正常使用極限狀態，采用荷載的標準組合進行設計。

從導線拉力圖可以看出，既要考慮僅單側掛線，又要考慮雙側同時掛線，同時還要考慮兩側掛不同型號的導線，共有5組導線荷載組合工況需分別建模計算。每個模型的每組導線荷載組合需分別與風載、溫度作用及地震作用進行承載能力極限狀態荷載效應的基本組合計算和正常使用極限狀態荷載效應的標準組合計算。

各模型的計算結果顯示，考慮地震作用的荷載組合產生的桿件內力是沒有地震作用參與的其它荷載組合產生內力的70%～80%之間，因此地震作用在本工程330 kV構架結構設計中不起控制作用。

2 格構塔的比較

330 kV GIS垂直出線構架采用格構式塔結構，從結構受力及構造要求等方面對角鋼格構塔和鋼管格構塔分別論述。

2.1 角鋼格構塔

構架塔柱采用變截面角鋼格構矩形柱，角鋼主桿、角鋼腹桿、節點板螺栓連接；構架橫擔采用變截面角鋼格構四邊形梁，角鋼弦桿、角鋼腹桿、節點板螺栓連接。橫擔弦桿與塔柱螺栓連接，整體為剛接，柱主桿拼接采用角鋼拼接接頭。角鋼格構式結構連接方便，材料易于采購，生產工藝簡單，效率高，缺點是風阻大，材料受壓穩定各向異性，大規格材料缺乏。要設計承載較大的大型結構時需采用角鋼組合截面，而且根開也需加大，大根開勢必影響電氣設備的布置和占地面積。另外，由于角鋼回轉半徑較小，在大型結構中，由于斜腹桿長度較大，而斜腹桿本身受力并不大，結果材料利用率較低，解決此問題即減小構件長細比的辦法是加設再分式腹桿，但設再分式腹桿會增加節點數量和用鋼量。在線路鐵塔中角鋼格構式結構應用普遍。由于本工程中A、C相橫擔在出線方向又有懸挑，若采用角鋼格構式結構，橫擔弦桿與塔柱連接節點不易處理。

2.2 鋼管格構塔

構架塔柱采用變截面鋼管格構矩形柱，鋼管主桿、鋼管腹桿，節點板螺栓連接，構架橫擔采用變截面鋼管格構四邊形梁，鋼管弦桿、角鋼腹桿，節點板螺栓連接。橫擔弦桿與塔柱螺栓連接，整體為剛接，柱主桿拼接采用法蘭連接。與角鋼格構式結構相比，鋼管格構式結構具有以下優點：

1)構件受荷性能好。鋼管構件作為構架的承載結構相對于角鋼構件具有明顯的優勢。一是可以減小構架的風壓(圓管構件體形系數比角鋼幾乎小一倍)；二是在截面面積相等的情況下，圓管的回轉半徑比角鋼大20%左右；三是若用無縫鋼管，其壓曲系數為a類，而角鋼為b類，其間差7%左右[7]。

2)結構受力明確，節點構造簡單，大部分構件屬于拉壓桿，符合計算假定。

3)經濟性好。一般來講，鋼管塔比角鋼塔用鋼量可降低10%～20%，對大負荷高塔使用鋼管格構式結構優勢更明顯。

4)外型美觀。由于鋼管具有較好的受荷截面特性，即各個方向的截面特性相同，與塔柱非正交的橫擔弦桿與塔柱連接節點容易處理，結構構件數量少、截面相對較小，節間距有較大幅度的增加，使得結構布置更為簡潔美觀。

5)適用性較強。對于荷載大、高度大、電壓等級高的構架，鋼管格構式結構有更強的適用性。

6)取材方便。目前我國的各種軋制和焊接鋼管的質量提什較快且漸趨穩定，供貨渠道日趨通暢，鋼管在其規格選擇上具有更大的優勢。

通過上述分析，西安北750 kV變電站工程330 kV GIS垂直出線構架采用鋼管格構塔結構。

3 鋼管格構塔的設計

3.1 鋼管格構塔柱的腹桿形式選擇

獨立塔柱從受力要求上最好選用正方形截面，但本工程330 kV構架塔柱窄面方向由于受出線間隔寬度影響不能超過2.5 m，沿出線方向的寬面參考750 kV構架柱的經濟根開斜率H/16(H為變截面處高度)，確定為5.0 m寬，這個寬度隨著塔柱高度的增加而減小，在標高18.0 m以上保持2.5 m寬不變。

通過比較可以發現，采用2.5 m×6.0 m根開時，桿件應力比明顯減小，腹桿基本是由受壓構件長細比控制，桿材未充分利用；采用2.5 m×4.0 m根開時，桿件應力比明顯增大，有些腹桿的應力比較大，需要加大截面。這樣小根開塔柱中桿件截面較大，整個結構通透性差，感觀較笨拙。因此本工程330 kV構架塔柱采用結構整體比例較協調的根開尺寸2.5 m×5.0 m。

對標高18.0 m以上塔柱截面尺寸由2.5 m×2.5 m減小到2.0 m×2.0 m，橫擔的截面尺寸相應減小。計算結果顯示，掛導線的橫擔下弦桿截面、標高18.0 m以上的塔柱主桿截面均需加大一個型號，這樣由減小柱截面尺寸引起的鋼材量減少被加大主材截面引起的鋼材量增加相抵消，而且柱頂位移相應增大到120 mm，超過了位移限值，因此塔柱標高18.0 m以上采用2.5 m×2.5 m截面尺寸。

對于單塔兩回出線，本期只掛單回，遠期掛兩回；或者兩回出線，一回掛2分裂LGJ-300/40導線，一回掛4分裂LGJ-300/40導線；或者單塔單回出線，塔柱均需承受很大的扭轉作用，因此塔柱腹桿選用對稱布置的十字交叉桿及“*”形桿，抗扭性能好。

十字交叉腹桿體系常用于桿件長度較短處，在塔柱幾何尺寸較大時往往因長細比控制而限制桿件截面，造成材料用量增多。本工程構架塔柱窄面腹桿及標高10.5 m以上寬面腹桿采用十字交叉桿。“*”形腹桿體系對減小塔柱主桿、橫桿及斜桿的長細比很有益處，與十字交叉腹桿體系相比，若塔柱尺寸相同，其各種桿件的長細比均幾乎減半。其缺點是節點數量多，有的節點較復雜，橫隔桿件多，但這些桿件長度均較短，故增加材料并不多。本工程構架塔柱標高10.5 m以下寬面腹桿采用“*”形桿。

3.2 鋼管格構塔柱的橫隔設計

鋼管格構塔柱在寬面采用“*”形腹桿體系，在橫桿中點有斜桿交匯，橫桿水平面內必須加橫隔來維持橫桿在塔斜平面外的穩定。橫隔的首要作用是維持塔身平面的幾何不變性。對于十字交叉腹桿體系的窄面，盡管原則上沒有橫隔也能維持結構幾何不變，但當塔的邊數較多時斜桿抗塔身橫截面變形的能力較弱，或塔柱變坡時橫斜桿受力較大，也要用橫隔增加塔身橫截面的抗變形剛度。

1)橫隔的布置原則

①在橫桿中間有斜桿交匯點的平面，原則上均要求布置橫隔。若考慮橫桿在此點的抗彎剛度，則要將橫桿作為拉(壓)彎構件做明確計算才能保證結構的可靠性。

②在塔柱變坡處要布置橫隔。因為此處平面桿件受力大，要控制其變形才能抑制非線性變形的不利影響。

③在其他情況下每隔2～3層也應設置橫隔，以減少塔架平面變形的不利影響。

④斜桿有再分式腹桿處塔柱要設相應的橫隔。

2)橫隔在水平面內的布置原則

①將平面內每一節點連成幾何不變的平面桁架。

②盡可能使橫隔的計算長度減小。

3)橫隔的受力計算

由于橫隔一般受力較小，故在選取截面時主要根據長細比的條件加以控制，以使結構更加經濟。作為塔的次要構件，橫隔的長細比可控制在120～200，并要求兩向長細比基本均衡，以免因單向長細比太大而產生材料浪費。故選用橫隔的材料時，剛性橫隔以鋼管為好，柔性橫隔以圓鋼為好，橫隔長度較短時，也可用單角鋼或雙角鋼，角鋼材料單價低，連接也較為方便。

橫隔的計算盡可能按實際布置狀況進行，在主體結構建模時建入，通過結構整體空間計算確定橫隔桿件的真實內力。由于橫隔在使用中還有自重及其他橫向荷載，或者承受安裝荷載，故在計算時應適當考慮橫隔的彎曲次應力。

4)橫隔的連接

橫隔作為塔架的次要桿件，一般受力較小，因而節點受力也較小，一般采用雙剪連接和單剪連接。其中主要橫隔采用雙剪連接較多，次要橫隔采用單剪連接較多。當橫隔與橫斜桿共同交于塔柱上某一點時，橫桿與橫隔、橫隔與橫隔之間易發生干擾，此時應首先保證橫桿的連接，其次為主橫隔，最后考慮次橫隔。

3.3 鋼管格構塔的橫擔設計

橫擔立面為三角形布置弦桿的懸挑結構，頂底面設十字交叉腹桿。A相、C相橫擔分別進行了兩種結構型式計算比較：

1)上弦桿從柱身到橫擔端部直線連接，不設折彎點，橫擔橫斷面為不相似的直角梯形。這樣，橫擔頂面交叉腹桿不在同一平面，互不連接，腹桿長細比大。如圖4所示。

圖4 A相、C相橫擔上弦為直桿

2)在柱身處先設置類似三棱柱的格構支座，從支座到橫擔端部直線連接，上弦桿需要在支座處彎折，如圖5所示。這樣，橫擔頂面交叉腹桿在同一平面，交叉點可連接，腹桿平面外的長細比計算采用與角鋼肢邊平行軸的回轉半徑ix[8]，而圖4中采用的是角鋼最小回轉半徑iv，ix基本是iv的1.5倍，腹桿長細比約為圖4中對應桿件長細比的2/3，因此頂面腹桿截面減小。橫擔上弦折桿所在平面的豎腹桿及斜腹桿增大，總體鋼材量減少0.2%。但整個結構造型要比圖4的型式顯得笨重，因此A、C相橫擔采用圖4的結構型式。

圖5 A相、C相橫擔上弦為折桿

4 節點設計

節點的強度、穩定計算及構造設計，是整個設計工作中的一個重要環節。連接節點的設計實際上是結構模型中桿端連接假定實現的過程。設計是否合理，對保證實際結構與計算模型是否吻合、桿件能否按要求明確傳力以及結構整體性起著至關重要的作用。

節點計算及構造設計時需遵循如下原則：

①節點處內力傳遞簡捷明確，安全可靠，盡量減少偏心引起的附加彎矩。

②確保連接節點有足夠的強度和剛度。

③節點加工簡單、施工安裝方便。

根據以往工程構架鋼材的統計結果顯示，節點板鋼材占構架鋼材總重的比例約為40%～50%，因此節點計算、節點板的合理選用對構架的外觀和用鋼量有很大的影響。

4.1 塔架柱節點型式：

塔架柱鋼管主桿采用法蘭接長，法蘭連接屬于部分剛接節點。受力較大的下段柱法蘭采用剛性法蘭，受力較小的上段柱法蘭采用柔性法蘭。柱腹桿鋼管與主桿鋼管的連接方式有管管相貫線焊接，U形插板雙剪連接，插板單剪連接等。

4.2 塔架柱與橫擔連接節點設計

塔架柱與橫擔整體為剛性連接，立面為三角形的橫擔上下弦桿與柱通過節點板用普通螺栓鉸接連接。柱節點處設環向板，一方面作為柱水平腹桿、橫隔、橫擔弦桿及腹桿的連接板，另一方面加強柱主桿此處的抗扭剛度。對于A相、C相橫擔在水平面內與柱沿出線方向軸線間的夾角為42°，B相及地線橫擔為90°，采用環向板便于與各個方向的橫擔弦桿相連[9]。橫擔斜弦桿與柱通過豎向節點板連接，環向板作為此節點板的勁板起加強側向剛度的作用。

5 結語

330 kV GIS垂直出線采用抵抗矩更大的格構式塔結構，是將獨立格構塔的頂、上、中、下四層橫擔前后錯開，俯視類似“*”形布置。垂直出線格構塔橫擔與塔柱采用便于節點連接的鋼管格構式結構，塔柱采用鋼管主桿、鋼管腹桿，節點板螺栓連接，腹桿采用抗扭性能好的十字交叉桿或“*”形桿，端部設槽型插板與節點板單剪連接。橫擔采用鋼管弦桿、角鋼腹桿、節點板螺栓連接，橫擔立面內弦桿三角形布置。A、C相橫擔上弦桿從柱身到橫擔端部直線連接，不設折彎點，橫擔橫斷面為不相似的直角梯形，橫擔頂面交叉腹桿不在同一平面，互不連接，底面腹桿十字交叉布置，交叉處螺栓連接；B相及地線橫擔頂底面腹桿十字交叉布置，交叉處螺栓連接。橫擔與塔架柱連接節點處設環向板，便于與各個方向的橫擔弦桿相連。