摘要：窄基钢管塔是一种走廊紧凑、占地面积小新型铁塔，是钢管塔技术在城镇规划区以及城镇郊区地区线路工程的全新应用，与常规铁塔相比，外形美观、结构简单，与城镇周边环境更加和谐，具有良好经济和社会效益，本文通过截面选择、杆件布置、经济性对比等方面分析、为窄基塔规划、设计提供有重要参考。
关键词：高压输电线路；窄基塔；优化设计
引言
随着我国经济建设发展，城镇规划区的土地日益紧张，高压输电线路多经过成镇绿化带、公路等路径拥挤地段。对220kV 高压输电线路工程，由于荷载较大，采用钢管杆虽可满足走廊占地要求，但塔重增加较多，经济性较差。与角钢塔相比，窄基钢管塔结构简单、外形美观，与城市环境更加协调。与钢管杆相比，窄基塔经济性较好（节约钢材 25%以上），具有良好的经济和社会效益。
一、主材构件断面的优化
（一） 构件风压对比
经过分析计算，窄基塔塔身风荷载的比重约整个内力的为 35~45%，而线条风荷载和塔身自重引起的内力约占整个内力的45~50%和10~12%左右。通过合理选材降低塔身风载对窄基铁塔设计有重大意义。
可以看出，当角钢（或组合角钢）与钢管的截面面积基本相同时，由于体型系数不一样，钢管承受风压投影面积AS比角钢略大，钢管的AS•μs值是角钢的0.6～0.8倍，即钢管构件所受风载为角钢的0.6～0.8倍。窄基塔主材采用钢管， 钢管构件所受的风荷载是角钢构件的0.8倍左右，钢管构件所受的总应力比角钢减少 9～10%，同时有效减小钢管塔的基础力，意义重大。
（二）构件稳定性比较
角钢构件有平行轴和最小轴的区别，两者回转半径i差别较大。钢管构件在任意方向的回转半径i是相同的。通过表2 的比较，可以看出截面面积基本相同的条件时，钢管的回转半径是单根角钢的1.3倍。同一计算长度L时，受压构件稳定系数取决于构件长细比λ=L/i。角钢的稳定系数远小于钢管。
经计算，材料为Q345时，多数角钢构件mN=1.0，部分mN<1.0；材料为Q420 时，mN<1.0的角钢构件比材料为Q345时更多。综合以上各个系数，截面面积、材料强度相同时，钢管构件的稳定系数大于角钢构件，且强度不需要折减，因此通过以上公式计算，钢管构件的轴压承载力大于角钢构件。
（三）窄基钢管塔与窄基角钢塔的经济性对比
目前我国高压输电线路铁塔普遍采用的钢材为Q235及Q345热轧角钢，山东省的220～500kV线路工程中，铁塔主材已经普遍使用Q420高强钢。铁塔主材规格主要由轴心受力的强度及稳定控制来确定。对于强度控制的轴心受力构件，Q420钢的强度比Q345提高20％以上。在角钢塔中采用Q420高强度钢材将有效节约钢材。
用两种材料选材的塔重计算结果：Q420角钢塔的重量比Q345钢管塔重17%。 考虑施工图的重量增大因素：钢管塔采用带颈锻造法兰，角钢塔双拼节点板等，角钢塔重量比钢管塔重增加约13%。并且钢管塔由于基础作用力降低而使得基础工程量的下降。 综合以上因素采用钢管塔较角钢塔本体投资减少。
二、杆塔结构布置优化
制约塔身斜材的基本条件是斜材计算长度的选择以及对外荷载抵抗力矩。 其中，斜材对外荷载抵抗力矩的大小，即斜材与水平面的夹角大小，将直接影响到主材选材规格及该节间主材的分段长度。从国内外相关科研成果以及工程设计实践经验看，塔身斜材和水平面的夹角取40～50°为宜。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在塔型选型时，首先要分析控制选材的条件，塔身主材节间分段情况、主材计算长度，以及不同的接腿配置不同的塔身等多种因素，进行优化组合。节间过密，塔身斜材规格可能减小，但辅助材的用钢量增大；节间过大，可能增大主、斜材计算长度，从而增大主材规格，辅助材的用钢量的减少有限，总的用钢量会增加。
以2F13-SJZG2塔的布置具体说明，方案一与方案二主要差别：方案一塔身主材没有布置辅助材，塔身主材计算长度约3.0m，方案二塔身主材布置辅助材，主材计算长度是方案一的一半。
窄基塔钢管主材必须考虑位移控制因素，主材计算长度减小50%，并不能明显减小其规格。经计算，方案一主材钢管直径为325，长径比约9.2，方案二直径273，长径比约5.5。《架空输电线路钢管塔设计技术规定》规定钢管塔主材的长径比不小于12 可按照空间桁架铰接体系进行分析，方案二主材的长径比明显小于规范值。
方案一的塔身整体视觉上较为简约、协调美观。综合考虑这两个因素，选择方案一的布置方式。结合以往杆塔斜材布置的经验，斜材与水平面的夹角α控制在35～45o之间，横幅面设置间距不大于4个主材分段与平均宽度的5倍。
三、钢管主材次弯矩影响
（一）杆塔次弯矩
《架空输电线路钢管塔设计技术规定》（DL/T5254-2011），7.3.4 条“当钢管塔主材的长径比不小于12、斜材的长径比不小于24h，可按照空间桁架铰接体系进行结构内力分析。否则，应考虑节点刚性引起的钢管次弯矩的不利影响”。 在设计输电塔架结构时，工程上普遍采用几何小变形、材料线弹性假定，将所有构件视为二力杆单元，节点简化为绞节点，按照桁架结构进行分析计算。 大量工程实践表明，这种近似方法基本上可以满足工程设计需要。但是假定所有构件为两端铰接，只能承受轴向力的杆单元，忽略了杆端弯矩影响，在杆塔构件刚度较大时，这种处理方式与实际结构受力情况会有一定差异。而对于窄基钢管塔而言，主要受力构件采用钢管，杆件端部受到很大的嵌固作用，节点限制杆件间夹角的变化，造成杆件弯曲，由此产生的杆弯矩具有二阶效应，称为次弯矩。
（二）次弯矩计算分析
以窄基塔2F13-SJZG2（呼高30m，塔高45.4m）为例，采用Midas有限元软件建立模型。窄基钢管塔的主材采用梁单元，其它受力较小的斜材及辅助材等采用杆单元模拟。主材控制工况为 90°大风。
以 90°大风工况为例，利用有限元分析结果，结合上述公式进一步计算分析，推出窄基塔2F13-SJZG2 各主材端部次弯矩应力及与构件承载力的影响。
通过计算分析结果可知：与杆单元轴力相比较，梁单元构件的轴力值减少约1~3%；梁单元的杆端弯矩值对主材应力影响不可忽略，变坡处应力增加约 10~12%，塔腿处应力增加约10~13%，其他位置主材应力增加的比例约8~10%。
四、结语
（1）通过经济、技术的比较，与窄基角钢塔相比，窄基塔主材使用钢管塔对于受力更合理的，具有明显技术经济优势，同时相对角钢塔在城市中应用能与环境协调。
（2）在塔型选型时，要分析控制选材的条件，塔身主材节间分段情况、主材计算长度，以及不同的接腿配置不同的塔身等多种因素，进行优化组合。
（3）结合次弯矩进行对窄基塔的内力进行分析，推荐在杆塔设计时， 对于变坡处附近的主材需考虑10~15%的裕度，塔腿主材及变坡以下其他位置主材需考虑10%裕度。
参考文献：
[1]林钰梅.浅析220kV高压输电线路窄基钢管塔结构优化设计[J].通讯世界,2018(05):138-140.
[2]《架空送电线路铁塔结构设计技术规定》（DL/T5154－2012）. 国家能源局，2012.
论文作者:苏鼎,郑和华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：钢管论文; 角钢论文; 构件论文; 主材论文; 弯矩论文; 长径论文; 荷载论文; 《电力设备》2018年第21期论文;