大跨越輸電塔的發展現狀*

沈國輝，余杭聰，余 亮，李布輝，姚劍鋒

(1.浙江大學結構工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102； 3.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

我國電力行業發展迅速，電力供應和電網輸送能力快速增強，電源和電網結構逐步優化。截至2018年底，全國全口徑發電裝機容量19.0億kW，同比增長6.5%，全國發電裝機及水電、火電、風電、太陽能發電裝機規模均居世界首位。輸電塔是電力輸送過程中最重要的載體，輸電線路需要跨越大江大河，通常采用大跨越輸電塔形式。大跨越輸電塔的高度越來越高，檔距越來越大，塔高、檔距不斷突破紀錄，最高的跨越塔高度甚至已經超過了我國規范中的梯度風高度。

本文對大跨越輸電塔的發展歷程、設計選型、荷載分析、施工技術和健康監測等方面的研究進行綜述。

1 大跨越輸電塔發展歷程

大跨越輸電塔從早期的鋼筋混凝土塔，發展到如今常用的角鋼塔、鋼管塔和鋼混結構組合塔。最近30年來，全球建成或在建的部分大跨越輸電塔如表1所示。目前已建成的大跨越輸電塔中，舟山西堠門大跨越輸電塔[1]最高，全塔高380m，而未來幾年內將建成的江蘇第五過江通道大跨越輸電塔全塔高385m。

表1 全球已建成或在建的部分大跨越輸電塔

2 大跨越輸電塔設計選型

大跨越輸電塔具有高度較高、荷載大、結構復雜、耗鋼量和投資較大的特點，目前國內常用的大跨越輸電塔塔型主要有鋼筋混凝土塔、組合斷面角鋼塔、鋼管塔、鋼混結構組合塔等形式。

2.1 鋼筋混凝土塔

以鋼筋混凝土為主要結構的跨越塔，為傳統的塔結構，多在20世紀90年代初期建成。受材料特點的影響，該類型塔質量較大，塔的高度存在限制[2]。考慮到當時鋼材加工能力和設備水平的限制，采用鋼筋混凝土塔比較適合當時的工程背景。典型代表為大勝關長江大跨越輸電塔，如圖1所示。

圖1 大勝關長江大跨越輸電塔

2.2 角鋼塔

角鋼塔在加工、運輸、安裝、運行方面均有成熟經驗。由于大跨越輸電塔具有普遍較高、荷載較大以及主材節間距較大等特點，其主斜材斷面通常采用角鋼組成的格構式斷面，角鋼之間采用綴條連接。組合角鋼具有加工方便、單件質量輕、安裝方便、無焊縫等優點。但缺點是綴條、綴板等連接附件所占比例很大，塔型耗鋼指標較高。同時，大量綴條和綴板也使得角鋼塔的風荷載增大，造價相應提高，因此角鋼大跨越輸電塔的經濟指標相對較差。典型代表為江陰長江大跨越輸電塔，如圖2所示。

圖2 江陰長江大跨越輸電塔

2.3 鋼管塔

鋼管塔斷面在各方向受力均勻，在面積相同的情況下，回轉半徑更大。鋼管截面可充分發揮材料強度，改善構件的截面剛度，降低長細比。與角鋼塔相比，鋼管塔能大大減少輔助桿材的數量，減小鐵塔的擋風面積，使得鐵塔質量減輕，同時鋼管塔整體外形也比角鋼塔美觀。但鋼管塔單根構件較重，在運輸安裝和鍍鋅時比較困難，另外鋼管塔對鋼材材質要求較高，在焊接時工作量較大，加工價格也高[3]。典型代表為螺頭水道大跨越輸電塔，如圖3所示。

圖3 螺頭水道大跨越輸電塔

2.4 鋼混結構組合塔

鋼混結構組合塔在鋼管塔的基礎上，在主桿件中加入混凝土和格構式角鋼骨架，克服了傳統的純鋼管形式主材受徑厚比限制、加工困難、層狀撕裂等缺陷，同時擁有傳統角鋼塔架容易加工和制造的優點。在鋼管內部加入混凝土可以為薄壁鋼管提供側向支撐，提高抵抗局部屈曲的能力[4]。在內部增加格構式角鋼骨架作為鋼管混凝土內部型鋼，在增大截面慣性矩的同時，也作為腳手架便于施工[5]。考慮到輸電塔的節點復雜性，需要對新型結構進行承載力的研究，沈國輝等[6]進行了環形加勁板方向受壓鋼管節點的承載力研究，陳勇等[7]進行了鞍板和環板加勁K形相貫節點承載力試驗研究。鋼混結構組合塔的典型代表為西堠門大跨越輸電塔，如圖4所示。

圖4 西堠門大跨越輸電塔

3 大跨越輸電塔荷載分析

大跨越輸電塔的主要控制荷載有風荷載、地震荷載及覆冰脫冰荷載等。

3.1 風荷載

大跨越輸電塔具有高度高、外形細長、質量相對較輕、剛度相對較小等特點，一階自振周期較大，風荷載對其起主要作用。

郭勇等[8]采用風洞試驗方法研究大跨越輸電塔和塔線體系的風荷載，利用氣彈模型風洞試驗獲得位移和加速度響應，并與時域和頻域的計算結果進行對比；沈國輝等[9]針對輸電塔順風向風致響應的各種時頻域計算方法的適用性問題，探討輸電塔的響應特征和各種方法的適用性；劉海銳等[10]在ANSYS軟件中建立大跨越輸電塔有限元模型，并采用時程分析方法計算輸電塔在風荷載作用下的風振響應；張欣[11]利用ABAQUS模擬強風下輸電塔線體系的倒塌破壞，同時對結構進行了易損性分析及不確定性分析；曾玉潔[12]模擬生成了風雨速度時程，并在ABAQUS中研究了風雨致輸電塔線體系的倒塌破壞機理；姚劍鋒[13]結合風洞試驗、數值模擬與理論分析等手段，研究了大跨越鋼管塔的風荷載。

3.2 地震作用

大跨越輸電塔線體系跨度大、結構高，且導線具有極強的非線性效應，其結構動力響應復雜，因此受地震破壞作用也較大。

尹鵬等[14]以榕江大跨越輸電塔為背景，采用時程分析方法研究輸電塔線體系地震響應與輸入地震波的關系；牛延宏[15]基于多振動臺試驗和顯示分析方法的有限元計算方法，開展了一系列縮尺模型試驗和倒塌破壞的有限元模擬研究；陳龍強等[16]利用ABAQUS進行大跨越輸電塔線體系的動力特性分析，并采用時程法對單塔及塔線體系進行雙向輸入地震響應分析；沈國輝等[17]針對某大跨越輸電塔線體系，采用振型分解反應譜法和時程分析法進行考慮三向輸入的地震響應研究；魏奇科等[18]考慮地震波沿大跨越線路傳播時引起的地震行波效應，研究了縱向地震作用下大跨越輸電塔線體系的地震響應特性。

3.3 覆冰脫冰荷載

大跨越輸電導線覆冰會導致輸電塔承受的荷載大幅度增加，增加桿件屈曲的風險；脫冰則會使輸電導線劇烈跳躍，輸電導線間距小于電氣間隙要求時會引起閃絡；導線振動可能會導致斷線或者金具破壞，甚至使桿塔受到沖擊荷載作用而引發桿塔折損、倒塔等嚴重事故。

沈國輝等[19]采用有限元數值模擬方法，建立四塔五線的塔線體系模型，模擬覆冰和脫冰現象，獲得輸電塔線體系的脫冰響應；李黎等[20]利用ANSYS進行塔-線體系脫冰的動力響應分析；劉春城等[21]進行了模擬覆冰條件下五塔四線塔線體系模型的斷線沖擊響應試驗，測得了輸電塔薄弱位置桿件的應變時程曲線，研究了塔線體系在不同斷線工況下桿塔的動力響應；周洪剛等[22]建立了大跨越輸電塔線體系數值分析模型,分析了導線劃分精度對輸電塔-線體系動力特性的影響；沈國輝等[23]針對分裂導線-間隔棒體系的覆冰脫落問題，分析了分裂導線與合成單導線的覆冰脫落的差異，探討不同情況下單根子導線脫冰時的響應。

3.4 斷線沖擊荷載

突然斷線使處于繃緊狀態的輸電線張力迅速釋放，塔線體系將受到動力沖擊作用。縱向荷載輕則使桿塔的局部構件產生變形，重則直接導致桿塔破壞，甚至還可能導致倒塔在輸電線路的傳播, 即為多米諾骨牌效應的連續倒塔。

夏正春等[24]利用ANSYS建立塔-線耦合模型，采用顯式動力分析技術，探討塔線體系對斷線響應的仿真方法，同時，在塔頭安裝鉛芯橡膠阻尼器,研究該阻尼器對體系斷線相應的振動控制效果；梁政平等[25]基于ANSYS建立等效彈簧代替模型，利用顯式積分法對導線和地線的斷線進行動力有限元仿真分析，分析導線、地線斷線對直線塔的動力作用；SHEN等[26]建立輸電塔、輸電線以及地面的有限元模型，利用生死單元方法來模擬輸電線斷裂，采用摩擦和接觸來模擬跌落導線與地面作用，獲得輸電塔線體系的斷線響應和斷線張力，并將斷線張力結果與規范和文獻中的方法進行比較。

4 大跨越輸電塔施工技術

大跨越輸電線路的施工方案需要進行特殊設計，同時，大跨越輸電線路的施工氣象條件比一般線路嚴格，對安全的要求也比一般線路高，工程量大且施工周期長。選擇合適的設計和施工方案可以顯著降低工程投資并縮短工期。大跨越輸電線路的施工流程為：基坑建造→材料選取→配制混凝土→混凝土中鋼筋選擇→安裝螺栓→混凝土澆筑→塔身吊裝→抱桿組立→抱桿地面提升→抱桿高空提升→頂架吊裝→抱桿拆除及架線。

大跨越輸電塔由于塔高且根基大，水平斷面鐵件較少，交叉鐵跨度大，而且輸電線比較多，在建立過程中會碰到很多技術難題，主要有構件的運輸與組裝、高空作業風荷載和架線等。

4.1 構件吊裝

高位構件及橫擔的吊裝施工是大跨越輸電塔組裝的關鍵技術，以螺頭水道大跨越輸電塔為例[5]，采用250t履帶式起重機與座地旋轉式雙搖臂抱桿結合吊裝高塔的施工方案，如圖5所示。89m以下部分采用250t履帶式起重機吊裝，89m以上部分采用雙搖臂抱桿吊裝。塔身282m以下吊裝時，抱桿坐落在中心井架上；塔身282m以上吊裝時，212m以下中心井架更換為井筒，212m以上仍采用井架。抱桿采用滑車組倒裝提升，按鐵塔高度分地面、高空兩次分別進行。抱桿身部井架在塔身主管上設置腰環，其四側配設鋼絞線、雙鉤收緊穩定。變幅繩卷揚機設置在抱桿髙空井架上，起吊卷揚機設置于地面，通過控制電纜配合全方位的視頻監控，進行起吊、變幅、回轉的集中控制操作。

圖5 大跨越輸電塔封頂施工

4.2 高空作業風荷載

由于塔身超高，風荷載將直接影響構件的吊裝定位及施工安全。高正平等[27]利用螺頭水道大跨越所在地已有的風速觀測資料，并結合當地的氣象條件，開展江中高空風速變化特點的分析計算，開展高位構件及橫擔吊裝施工過程中風荷載對吊裝、定位的影響研究。葉何凱[28]在雙平臂抱桿風洞試驗的基礎上，研究了抱桿結構各部分的體型系數，計算了施工過程中不同姿態下抱桿結構的等效靜力風荷載。馬晉等[29]構建了風時程混合模擬方法，用于分析塔架結構的疲勞損傷效應，進行大跨越輸電塔施工過程中塔架的抗風設計。

4.3 導線架設

大跨越輸電塔搭建完成后，還有架線施工中的張力大、風偏大、不封航等諸多技術難題，如圖6所示。張弓等[5]從關鍵技術參數的確定、導線牽引方式的選擇、初級引繩和過渡引繩展放方式的選擇等介紹螺頭水道大跨越架線方案的制定過程，優化了架線方案；張景輝等[30]通過三維激光掃描技術實現了導線線長、弧垂等參數的精確測量，利用激光多普勒測速儀并結合專用限位支架實現了導地線長度的精確測量，研制了新型可調式耐張線夾，實現了地面壓接快速放線。

圖6 大跨越輸電塔架線施工

5 大跨越輸電塔健康監測

隨著現代傳感測量技術、網絡技術以及結構安全評估理論的高速發展，對于大型工程結構進行實時監測和安全評估已經成為一種必然的發展趨勢。大跨越輸電塔作為重要的電力能源輸送設施，在遭遇冰雪等惡劣天氣時，容易發生極端條件下的損壞，更加需要進行實時監測和安全評估。

在輸電塔的損傷識別方面，黃東梅[31]將損傷診斷問題的方法進行了歸類，提出了高聳塔架結構節點損傷基于殘余應力和應變模態的兩步診斷法；郭佳凡[32]歸納了模糊模式識別的基本原則，提出了間接模型診斷方法和直接模型診斷方法便于比較應用；瞿偉廉等[33]推導了塔身豎桿節點風致豎向應變響應方差的歸一化公式，并通過小波變換分析實現了對螺栓脫落損傷位置的識別；樓文娟等[34]采用空間小波方法對剛度不變或漸變的輸電塔實現了損傷定位；葉何凱[28]對鋼管塔中典型長細比圓形鋼管構件進行了渦激振動風洞試驗，進行鋼管構件的渦振疲勞損傷計算，結合當地風氣象參數評估鋼管構件在設計使用期限內的風致疲勞壽命。

在輸電塔的健康監測方面，劉遙[35]以某大跨越輸電塔體系為背景，對其動態安全狀態評估方法進行傳感器優化布設、結構模態參數識別及損傷識別等方面研究；汪江等[36]利用無線網絡、新能源及信號分析處理技術，開發了大跨越輸電塔振動在線監測和模態分析系統，實現了輸電塔振動信號、氣象環境信息的不間斷監測；楊溥等[37]結合輸電塔三維動態測點優化布置的有效獨立法和改進的一維有效獨立法，提出同時考慮雙向測點優化布置的有效獨立法。

6 結語

對大跨越輸電塔發展歷程、設計選型、荷載分析、施工和健康監測五個方面的研究進行綜述，主要有以下結論。

1)大跨越輸電塔從鋼筋混凝土塔到組合斷面角鋼塔、鋼管塔和鋼混結構組合塔，塔身的承載能力不斷提高，材料用量進一步降低，使得大跨越輸電塔更加經濟合理。

2)針對大跨越輸電塔的風荷載、地震作用、覆冰脫冰、斷線荷載等進行研究，有效保障了大跨越輸電塔設計和運行的安全性和經濟性。

3)大跨越輸電塔的建造投入巨大、流程復雜，施工難度高，對構件的運輸與組裝、高空作業風荷載和架線施工技術各方面的研究，確保建造過程安全高效。

4)對重要工程進行監測和分析，為大跨越輸電塔建成后的安全運行提供了重要保障。