（扬州浩辰电力设计有限公司 225000）
摘要：论述杆塔结构设计优化的方法和原则，对塔身断面型式、斜材布置、主材长度优化、节点优化做了分析比较，合理优化杆塔结构。
关键词：110kV输电线路；结构优化；斜材布置；节点优化
1. 优化原则
杆塔结构设计是在满足线路电气性能要求的基础上，通过荷载计算、结构体系选择、结构内力与变形分析，强度、稳定和刚度等计算，得出最优的杆塔型式的过程。设计中采取以概率论为基础的极限状态设计方法，用可靠度指标度量结构构件的可靠度。
杆塔按铰接的空间桁架结构进行内力分析。结构或构件的强度、稳定和连接强度，按承载能力极限状态的要求，采用荷载的基本组合，按下列设计表达式进行设计：
在结构和构件的强度、稳定及变形均满足要求的基础上，杆塔优化的原则就是追求杆塔及基础综合指标最优、外形美观。
铁塔的优化设计均根据工程的实际情况，针对不同类型铁塔的受力特点和规程规范的要求，在工程荷载和电气间隙条件下，经多方案计算比较，确定合理的控制尺寸和细部结构。
（1）塔头尺寸，在满足电气间隙的前提下尽量紧凑，以降低塔身受风面积，降低风荷载。这不但节约塔材，也有利于铁塔安全。
（2）塔身布置，在满足铁塔整体强度、稳定的前提下尽量简捷，保证构件正确传力，路线清晰直接。
（3）塔腿根开，选取塔重最小的方案，再结合基础作用力和材料消耗，选取最合理的方案。
（4）节点构造，减少偏心、减少节点板的使用，力求合理。
2.优化方法
优化设计计算方法的选择，是铁塔优化设计的前提。只有在确定计算程序的最优计算方法后才能对整个工程进行优化设计。在程序分析计算中每一次迭代中都要作一次结构分析；因此，设计变量的个数及迭代到收敛的迭代次数，就构成了问题的规模。正因为如此，数学规划法在铁塔计算的应用上受到了限制。单纯的准则法所求的解，只是最优解附近的解，而非最优解。同时，某些结构准则法会导致结构退化、迭代不收敛的情况。我们在使用准则法中还发现，准则法迭代到收敛的迭代次数，几乎不受设计变量数的影响。
下面给出动态规划法和满应力准则法相结合的具体计算方法。
目标函数为：
3. 塔身断面型式优化
塔身断面不但影响铁塔的整体刚度，影响铁塔的过载能力，也影响设计、加工、组装的工效。
根据横向水平荷载与纵向水平荷载大小的比值，通常直线塔断面形状有矩形和方形两种。矩形断面的塔身风荷载较小，当纵向水平荷载较小时，使用正面根开大、侧面根开小的矩形截面塔，杆塔重量可以相对较小。
在正面根开相同时，矩形塔比方形塔塔重轻1％～2％，塔重减轻较少，主要原因是110kV线路的断线张力较大，塔身侧面很多杆件都是断线工况控制的，侧面根开减小后，导致规格增大。
另外，在正面根开相同的情况下，方形塔的整体刚度要好于矩形塔，特别是在大档距负荷条件下，矩形塔显得纵向刚度薄弱；且08年年初，我国南方大部分地区遭受了大面积冰雪灾害，电网设施受损严重，根据受灾情况及电网恢复工作经验，国家电网公司对设计技术规定进行了调整，提高了各工况下铁塔的不平衡张力，即铁塔抗弯、抗扭能力，这些提高也要求塔身断面应为正方形。而且对全方位塔，方形塔长短腿与塔身的连接要比矩形塔容易实现，加工、施工均要方便。矩形塔的长短腿与塔身连接时，塔腿“V”面为不对称结构，给加工放样带来较大困难。
4. 斜材布置优化
合理的斜材布置对提高铁塔的整体强度、充分发挥杆件的承载能力、降低塔重有明显的效果。腹杆的布置主要遵循以下原则：
（1）使主、斜材受力分配合理，塔身布材均匀协调，传力路线清晰，结构布置简洁；
（2）尽量使腹杆的水平角控制在35～45之间，使腹杆受力更合理；
（3）优化斜材长度、坡度，筛选大交叉、小交叉，比较平行轴、最小轴等多种布置方案，降低塔重；
对塔身斜材，可以布置成平行轴或者最小轴两种型式。对于两种斜材布置形式，我们可以发现最小轴布置铁塔斜材，节点明显少于平行轴布置铁塔斜材。最小轴布置时，正、侧面交于一点，而平行轴布置斜材时，正、侧面斜材交点错开。
铁塔计算过程中，对塔身的风荷载，平行轴布置时，加荷载的节点只能是布置隔面的节点，否则，遇到角度风等情况结构不再是一个稳定结构，实际情况也是这样。平行轴布置节点受到风荷载后，由于侧面没有有效的支撑，正、侧面变形是不一致的。
5. 节点优化
节点构造是设计中的一个重要环节，根据杆塔真型试验统计，节点构造不当造成的杆塔破坏占有很大的比重，应引起足够的重视。通过优化节点构造设计尽量使实际塔型与计算模式统一，并使节点在满足构造要求的前提下尽量简化，避免次弯矩应力的产生，同时也降低塔重。节点构造设计主要遵循下列原则：
1）避免相互连接杆件夹角过小，减小杆件的负端距；
2）节点连接要紧凑，满足刚度要求的前提下尽量减小节点板面积；
3）尽量减小杆件偏心连接，避免节点板受弯；
4）两面连接的杆件避免对孔布置，减小杆件断面损失；
5）主、斜材尽可能采用多排螺栓布置，斜材尽量直接与主材相连。
6）在上述原则的基础上，主要就主材接头连接、主材与斜材间连接和主材螺栓间距作重点优化。
按照上述公式的计算结果，两端单面连接的主材承载能力是两端双面连接的0.7-0.8倍，主材的承载能力得不到充分发挥，造成主材强度的浪费，设计中尽量使主材采用双面连接。
另外，在满足接头刚度的前提下，适当减小接头长度。接头长度太短，会引起接头变形较大，接头太长又增加了杆塔重量。主材最小接头长度一般由以下两个条件控制：（1）主材接头螺栓每段不少于6个，（2）主材每端被包长度满足构造要求。在满足上述两个条件的情况下，尽量减小主材接头长度；螺栓数量较多时，尽量采用多排螺栓。
主材与斜材连接：主材与斜材连接采用直接连接的方式，减少节点板的数量，如下图所示：
主材螺栓间距：螺栓间距的选择直接影响到主材截面减孔数，采用节点板连接的还影响节点板的大小，应针对具体节点情况合理选择。
6.结 语
输电线路铁塔设计是线路工程设计中技术要求高，工作劳动量大，且最能体现线路设计水平的主体部分。铁塔设计水平的高低、质量的优劣将直接影响到整个工程的质量和造价，影响到电网的安全，也影响到铁塔的制造加工和施工安装。
论文作者:郭耀
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/17
标签：节点论文; 铁塔论文; 杆塔论文; 荷载论文; 主材论文; 结构论文; 矩形论文; 《电力设备》2017年第32期论文;