輸電線路大跨越鋼管塔的結構設計

賈素紅

（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都 610041）

0 引言

大跨越鋼管塔的結構設計具有多個關鍵因素。首先，它們需要能夠承受高壓電力線路的巨大張力和重力荷載。這就要求鋼管塔的結構設計必須具備足夠的強度和剛度，能夠穩定地支撐輸電線路的重量。其次，大跨越鋼管塔必須能夠抵御自然災害的襲擊，如強風、地震等。因此，結構設計需要充分考慮到這些外力因素，采取相應的抗災措施，確保輸電線路的安全性和可靠性。此外，大跨越鋼管塔還需要考慮施工和維護的便利性，以及對環境的影響。隨著技術的不斷發展，大跨越鋼管塔的結構設計也在不斷創新與改進。例如，引入新材料和新工藝，以提高塔體的強度和耐久性；采用智能化監測系統，實時監測塔體變形和應力情況，及時發現并處理異常情況；利用計算機模擬和優化設計方法，提高結構設計的精確度和效率等。這些創新與改進的努力，不僅為大跨越鋼管塔的結構設計帶來了更高的安全性和可靠性，同時也為輸電線路的發展提供了更好的支持。

1 輸電線路大跨越鋼管塔結構

圖1 為輸電線路雙回路跨越鋼管塔結構。大跨越鋼管塔結構主要由三大部分組成：塔腿、塔身和塔頭。大跨越鋼管塔是整個跨越段的主體結構，由多個鋼管按一定的排列方式組成，可以承受輸電線路的重量和風壓力。橫擔連接在塔頭兩側，用于支撐跨越段導線。通過調節跨越塔間導地線的長度可以改變輸電線路的張力。基礎則是整個結構的支撐點，通常采用混凝土澆筑而成。

圖1 輸電線路雙回路跨越鋼管塔結構

大跨越鋼管塔結構具有幾個明顯的結構特點。首先，由于塔身采用鋼管構成，具有較高的強度和剛度，能夠承受較大的重量和外部風壓力。其次，與角鋼塔相比塔腿根開較小，有效地減少了輸電線路對地面的占用面積，提高了土地利用率。此外，大跨越鋼管塔結構較角鋼塔構件大幅減少，組裝和安裝較為簡便，可以快速完成，降低了工程周期和成本[1]。

大跨越鋼管塔結構還具有一些其他的優勢。首先，由于采用鋼管構成，具有較長的使用壽命和較強的抗腐蝕能力，能夠適應不同的氣候和環境條件。其次，結構的設計和優化可以根據輸電線路的需求進行，能夠滿足不同的跨越距離和荷載要求。另外，大跨越鋼管塔結構還具有較好的穩定性和可靠性，能夠保證輸電線路的正常運行和安全性。

2 大跨越鋼管塔結構設計要點

高穩定性是大跨越鋼管塔設計的重要目標之一。由于塔身高度較大，承受的風力和地震力也會相應增加。因此，在設計過程中，需要采用合適的結構形式和材料，以確保塔的穩定性和抗風抗震能力。通常，大跨越鋼管塔采用三角形結構，通過合理設置斜桿和水平橫擔，可以有效地提高整體的穩定性。

合理的荷載分配是大跨越鋼管塔設計的關鍵。高壓輸電線路需要承受大量的重量，包括導線本身的重量、冰雪負荷、風荷載等。在設計過程中，需要根據實際情況進行荷載計算，并合理分配到各個塔的不同部位。同時，還需要確保每個部位的受力均勻，避免出現局部過載或不平衡的情況。

材料選擇和施工工藝。在選擇材料時，需要考慮到強度、耐腐蝕性和可焊性等因素。常用的材料包括碳素結構鋼和低合金高強度鋼，它們具有較好的力學性能和耐候性能。在施工過程中，需要嚴格控制焊接質量，確保焊縫的牢固性和可靠性。

大跨越鋼管塔的防腐保護也非常重要。由于長期暴露在室外環境中，鋼管塔容易受到氧化、腐蝕和風化等影響。因此，在設計過程中，需要采取有效的防腐措施，如噴涂防腐漆、熱浸鍍鋅等，以延長鋼管塔的使用壽命[2]。

3 大跨越鋼管塔在應用中的問題

大跨越鋼管塔的建設成本較高。由于其設計和制造需要考慮到跨越較長的距離，因此使用的材料和施工方法都需要更加精細和復雜。這就導致了建設成本的增加，給項目的可行性帶來了一定的挑戰。由于其高度和跨度較大，一旦出現故障或需要維修，需要投入大量的人力和物力資源。而且，由于大跨越鋼管塔的結構復雜，需要特殊的設備和技術來進行維護和檢修，這給運營方帶來了一定的困擾[3]。

大跨越鋼管塔的運行環境復雜多變，對其抗風、抗震、抗腐蝕等性能提出了更高的要求。例如，鋼管塔的高度會對鋼材所受風向荷載產生影響，構件的材料以及高度等因素都會影響到實際荷載情況。在風荷效應的計算過程中，不能與普通輸電一樣將風荷系數選為定值，而是要依據風洞測試情況以及高塔風振研究來合理設置風荷系數，通常采用下式來進行計算：

式中：ξ——脈動增大系數；v——脈動影響系數；?——振型系數；μz——風壓高度變化系數。

大跨越鋼管塔的施工周期較長。由于其建設需要考慮到跨越較長的距離，因此在施工過程中需要進行大量的測量和調整工作，這就導致了施工周期的延長。而長時間的施工周期不僅會增加項目的成本，還會延遲電力輸送線路的建設進度，給電力供應帶來一定的影響。大跨越鋼管塔在一些特殊地理環境下的應用存在一定的困難。例如，在山區或者沼澤地等復雜地形環境中，大跨越鋼管塔的施工和維護都會面臨較大的挑戰。這就需要針對不同的地理環境進行專門的設計和施工方案，增加了項目的難度和成本。大跨越鋼管塔的外觀對于景觀的影響也是一個問題。由于其高度較大且數量眾多，大跨越鋼管塔在一些風景名勝區或者城市中會對景觀產生一定的影響。這就需要在設計和建設過程中充分考慮到環境保護和景觀美化的因素，以減輕對景觀的影響。

4 大跨越鋼管塔的結構設計要點分析

4.1 大跨越鋼管塔的設計要求

大跨越鋼管塔的設計應考慮到環境因素，包括風速、地質條件和氣候等。塔身的高度和直徑需要根據所在地區的風速標準進行合理選擇，以確保塔身能夠承受強風的沖擊，并保持穩定。大跨越鋼管塔的結構應具備足夠的強度和剛度，以承受輸電線路的重量和外界荷載。塔身應采用高強度鋼材制作，并經過合理的加固設計，以確保在各種工作條件下的安全運行。大跨越鋼管塔的基礎設計也非常重要。塔基的選址和設計應根據地質勘察結果確定，以確保基礎的穩定性和承載能力。基礎深度和尺寸應根據土壤條件和塔身結構來確定，并采取適當的防腐措施，以延長基礎的使用壽命。此外，大跨越鋼管塔的設計還應考慮施工和維護的便利性。塔身結構應合理布置，以便于施工人員進行安全操作和維護工作。同時，還應提供適當的防雷設施和安全裝置，以確保人員和設備的安全[4]。

4.2 內力計算

首先需要確定鋼管塔的幾何參數，包括塔高、橫跨距離、塔身截面形狀等。這些參數將直接影響內力的分布和大小。在計算內力之前，要明確塔身所受到的外部荷載。輸電線路大跨越鋼管塔通常要承受電纜的自重、風荷載、溫度變化等多種荷載。這些荷載將負載在塔的不同位置，產生不同的內力。鋼管塔的內力計算主要包括彎矩、剪力和軸力。彎矩是指塔身在荷載作用下產生的彎曲力矩，剪力是指塔身在荷載作用下產生的剪切力，軸力是指塔身在荷載作用下產生的拉壓力。對于大跨越鋼管塔，通常采用桿件法進行內力計算。首先，將塔身劃分為若干個桿件，每個桿件可以看作是一段直線桿件，然后通過力平衡和力矩平衡方程進行計算。以彎矩為例，可以根據力矩平衡方程計算出每個桿件上的彎矩大小。

式中：M——彎矩；F——作用力；h——力臂。

剪力和軸力的計算也類似，可以通過力平衡方程計算出每個桿件上的剪力和軸力大小。剪力的計算公式：

式中：V——剪力；F——作用力；θ——力的夾角。

軸力的計算公式：

式中：N——軸力；F——作用力；θ——力的夾角。

在實際計算中，還需要考慮桿件的材料性能，如彈性模量、截面面積等。這些參數將影響內力的計算結果。

4.3 構件斷面選擇

在選擇構件斷面時需要考慮鋼管塔的受力情況。鋼管塔主要承受重力、風荷載和線路拉力等作用力。根據不同的受力情況，可以選擇適當的構件斷面形式，如圓形、方形、矩形等。一般來說，圓形斷面具有更好的抗彎能力和抗壓能力，適用于承受垂直和水平作用力較大的部位。其次，鋼管塔的構件斷面還需要考慮材料的經濟性和工程的可行性。材料的經濟性包括材料的成本和使用壽命等因素。在滿足強度和穩定性要求的前提下，應選擇材料成本較低且使用壽命較長的材料。同時，還需考慮制造和安裝的可行性，避免過于復雜的構件斷面造成制造和安裝困難。構件斷面還需要考慮鋼管塔的防腐措施[5]。由于鋼管塔常常處于室外，容易受到大氣腐蝕的影響。因此，在選擇構件斷面時，需要考慮采用防腐材料或防腐涂層，以延長鋼管塔的使用壽命，并減少維護成本。鋼管塔的施工和維護也是選擇構件斷面的重要因素。在設計時，應考慮到施工和維護的便利性，避免過于復雜的構件斷面增加施工和維護的難度。同時，還需考慮構件斷面的可拆卸性，以方便維修和更換。

4.4 鋼管塔連接方式

鋼管塔連接方式的選擇需要考慮塔身的結構特點和實際應用要求。常見的連接方式包括法蘭連接、焊接連接和螺栓連接等。在選擇連接方式時，需要綜合考慮塔身的受力情況、施工工藝和維護方便程度等因素，以確保連接的牢固性和可靠性。在鋼管塔連接方式的具體措施中，需要考慮連接部位的加強措施。連接部位是塔身結構的薄弱環節，容易產生應力集中和疲勞斷裂等問題。為了增強連接部位的承載能力，可以采取增加連接板厚度、設置連接板加勁肋、采用加固筋和加強筋等方式，提高連接部位的抗彎和抗剪能力。在鋼管塔連接方式的設計中，還需要考慮連接部位的防腐措施。由于輸電線路通常處于惡劣的自然環境中，連接部位容易受到大氣腐蝕和電腐蝕的影響，從而導致連接的松動和腐蝕損壞。為了延長連接部位的使用壽命，可以采用防腐涂層、防腐襯里和防腐涂層修復等方式，提高連接部位的耐腐蝕性能。

5 結語

隨著經濟和科技的發展，電力行業的發展也日益迅速。而輸電線路作為能源傳輸的重要途徑，對于社會的穩定和發展有著至關重要的作用。在輸電線路建設中，大跨越鋼管塔不僅成為主要的輸電線路塔類型，而且結構的合理性更是影響線路穩定性的主要因素。在實際應用中，大跨越鋼管塔不僅具有高強度、抗風性能好等優點，而且具備構造簡單，施工方便等特點，使得其成為輸電線路的首選塔型之一。合理的結構設計能夠提高輸電線路的穩定性，并減輕電網運行過程中的安全隱患。因此在其結構設計方面，還需要繼續探索和研究，開展優化設計和配套方案的研究，以適應不斷發展變化的電力行業需求。