架空輸電線路自立式模塊化臨時桿塔優化設計研究

夏冬生

北京電力經濟技術研究院，北京 100055

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，架空輸電線路越來越難以滿足市容市貌的規劃要求。電力部門經常需要配合市政建設，公路、鐵路建設，進行輸電線路的遷移改造工程。常規遷移改造方法是拆除舊塔，然后順線路方向前后移動一小段距離，或者在橫向線路方向偏移一段距離，找到新的塔位，重新樹立一座與原來一樣的輸電鐵塔，以避開新建道路或其他工程建設[1]。在類似的架空輸電線路遷改的倒電方案和停電方案設計中，新建的桿塔是臨時設備，待線路建設完成后，一般需拆除。而且，由于每條線塔設計條件不一樣，拆除的臨時桿塔很難有機會再利用，造成極大的資源浪費[2]。

文章研究出了一種能夠實現模塊化組裝的臨時桿塔，這種模塊化臨時桿塔能夠根據電壓等級及高度需要進行模塊化的自由組裝，同一套模塊化臨時桿塔可滿足不同呼高的輸電線路遷移改造的需求。這一臨時桿塔具有模塊化組裝、自由拆卸、重復利用、通用性強、無須再生產加工、隨用隨組裝的特點，拆卸后不會報廢，在線路建設完后再回庫，以備下次利用，避免塔材浪費。

1 塔型規劃

臨時桿塔設計條件：設計基本風速為29 m/s（離地10 mm），覆冰厚度為10 mm，導線為JL/G1A-400/35（安全系數為2.5），地線為JLB20-100（安全系數為3.0），水平檔距為450 m，垂直檔距為700 m，轉角度數為0～30°[3]。

導線排列方式：根據不同掛線方式采用耐張串垂直排列、懸垂串垂直排列、耐張串水平排列三種形式。塔頭布置時需要兼顧臨時塔，根據臨時塔的掛線方式選取合適的塔頭布置方式。

2 桿塔結構優化

桿塔結構是一種對傳統桿塔結構的優化。大型鐵塔鋼耗大，結構優化的意義更大。設計人員應該在滿足電氣要求的前提下，在保證桿塔結構強度與剛度的同時，降低大型鐵塔桿塔造價。桿塔結構的優化設計需要遵循如下原則：根據電氣參數確定基本塔型；從材料的角度選用鋼管、高強鋼等；為了減小線路走廊寬度，考慮緊湊型的塔型布置，針對不同塔型優化設計坡度、節間等[4]。

2.1 桿塔工況計算

設計荷載工況組合時，考慮大風工況、覆冰工況、不均勻冰工況和安裝工況，不考慮斷線工況。其中，直線塔有26 個工況，耐張塔按照導線排列方式不同有72 個工況，臨時塔共有170 個計算工況[4]。

2.2 桿塔優化

2.2.1 塔頭優化

臨時桿塔應能夠實現模塊化組裝，具有通用性強的特點，容易安裝、可自由拆卸。為了方便制圖、加工及組裝，臨時塔各層橫擔做成尺寸相同的標準模塊，如圖1 所示；變坡以上塔身中柱分為4 段，其中3 段也做成尺寸相同的標準模塊，如圖2 所示。

圖1 橫擔標準模塊

圖2 塔身中柱標準模塊

2.2.2 塔身坡度優化

鐵塔塔身的坡度是影響整塔重量的最重要的因素之一，它直接影響主材和斜材的長度及規格[5]。鐵塔下開口（即鐵塔根開）對整塔重量和基礎的經濟指標起著較大的控制作用。根據對實際工程中鐵塔的統計，塔高與根開的比值一般在4～7；單回路直線塔塔身坡度一般為7%～14%；單回路轉角塔塔身坡度一般為9%～16%；雙回路直線塔塔身坡度一般為9%～14%[6]。塔身根開增大，可使主材受力降低，材料規格減小，塔身斜材受力也變小。基礎作用力隨根開增大而減小，可使基礎造價降低。但斜材與輔助材幾何尺寸增大，材料構造布置也變得復雜，又使塔重相應增加。因此在確定最終方案時，應綜合考慮塔重及全線塔總重、基礎造價等因素，對塔身坡度和根開進行方案比較[7]。

設計人員在進行鐵塔結構布置和內力分析的時候，應根據電氣荷載條件、氣象條件和鐵塔形式，找出合適的坡度和根開，使塔重指標達到最小，并綜合考慮鐵塔單基指標、基礎工程量、占地面積、植被等，力求達到最佳的綜合經濟效益[8]。

臨時塔上段為直塔身，設計人員首先應確定塔身中柱的寬度，即塔頂開口尺寸。以鋼管塔為例，根據不同的開口值，計算得到臨時塔（36 m 呼高）的塔重（kg），如表1 所示。可以看出，當塔頂開口尺寸為1 300 mm 時，臨時塔塔重最輕，基礎作用力相對適中。

表1 臨時桿塔LZJ1 頂部開口的優化結果

2.2.3 根開優化

在確定頂部開口后，對臨時塔的腰部寬度和根開進行優化設計，優化結果如表2 所示。可以看出，當塔身坡度為0.093，即根開為7.6 m 時，鐵塔計算重量最優，為18 197 kg。隨著根開的繼續加大，塔重指標反而升高，這是由于根開繼續加大時，斜材長度增加，導致重量增加量超過了主材內力減小而引起的塔重減小量。因此，選取的臨時塔根開為7.6 m。

表2 臨時桿塔LZJ1 下段塔身坡度及腿部根開的優化結果

2.2.4 塔身斜材優化

考慮安裝、運輸方便，同時減低塔重，臨時塔變坡以下塔身交叉斜材采用拉桿結構，如圖3 所示。拉桿如圖虛線所示。

圖3 臨時塔塔身斜材拉桿布置圖

2.2.5 塔身隔面優化

橫隔面設置須滿足《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》（DL/T 5154—2012）中對鐵塔的構造要求：在鐵塔塔身變坡處、直接受扭力的斷面處和塔頂及塔腿頂部斷面處必須設置橫隔面。在塔身坡度不變段內，橫隔面設置的間距一般不大于平均寬度的5 倍，也不宜大于4 個主材分段。

合理設置橫隔面可加強鐵塔整體剛度，對向下傳遞結構上部因外荷載產生的扭力、減小塔重、均衡塔身構件內力具有明顯的作用。橫隔面的布置應注意以下兩點：

（1）在滿足規范要求的前提下，盡量少布置橫隔面，減輕塔重。

（2）橫隔面一定要作為受力單元參與結構計算。

臨時塔由于變坡以下塔身交叉斜材采用拉桿結構，鐵塔整體剛度減小，而橫隔面設置對鐵塔剛度影響較明顯，因此增加橫隔面可以提高臨時塔抗風、冰能力。臨時桿塔宜適當增加橫隔面，橫隔面設置間距不宜過大。同時，考慮橫隔面交叉斜材也采用拉桿結構，為提高塔身剛度，在塔身斜材拉桿布置范圍內每個節間設置一個隔面，以保持結構的外型尺寸不出現鼓突的情況，如圖4 所示。拉桿如圖虛線所示。

圖4 臨時塔塔身橫隔面拉桿布置圖

3 結束語

文章設計了一種新型臨時桿塔，塔頭布置兼顧耐張串垂直排列、懸垂串垂直排列、耐張串水平排列三種形式，可作為直線塔或耐張塔單獨使用。建立了臨時拉索塔的分析模型，變坡以下塔身交叉斜材和隔面交叉斜材采用拉桿結構，只承受拉力、不承受壓力。并根據自立臨時桿塔模塊化組裝和可拆卸的設計原則，分別從塔頭、塔身坡度、根開、塔身斷面、塔身斜材等方面對臨時桿塔的桿塔結構進行了優化。