摘要：阐述了在输电线路钢管杆的设计中，在满足强度和刚度要求下，对影响钢管杆总重量的挠度、锥度、梢径、截面形状、主杆壁厚和材料等参数的优化设计。
关键词：钢管杆；主杆；横担；挠度；锥度；梢径；截面形状；杆段划分
1 前言
钢管杆现行的标准为《架空送电线路钢管杆设计技术规定》（DL/T 5130-2001），它主要用以替代传统的自立式角钢铁塔。钢管杆与铁塔相比具有结构简单、强度高、占地省、安装快捷等特点，同时它具有较低的风载体形系数，作用在钢管杆杆身上的风荷载比铁塔小得多，并且它具有良好的柔性，大大有利于确保其在强风作用下的安全性。现阶段，随着土地日显紧张，高压线路走廊越来越狭窄，钢管杆由于杆径小，占地少，需要的走廊比较小，能满足在走廊受限制地区架设架空线路的需要，因而得到广泛使用。
2 钢管杆的优化设计
钢管杆最主要是由主杆和横担两部分构成，其中主杆的作用就是承担通过横担传导的导地线和金具的外荷载，以及来自杆体自身的风荷载，而横担的作用则是直接对导地线和金具的外负荷的承载，所以输电线路钢管杆的设计优化主要表现为对主杆、横担的优化设计。
2.1主杆的优化设计总述
在输电线路钢管杆的设计中，主杆占总重量的比重一般可达到60%以上，因此将主杆优化作为首要考虑的因素。如果仅以计算强度作为控制条件，运行时杆顶挠度可达杆身高度的30‰，不仅影响美观，挠度也超出了钢管杆材料的最大韧度，同时也不满足《架空送电线路钢管杆设计技术规定》（DL/T 5130-2001）6.2.1条：【在荷载的长期效应组合（无冰、风速5m/s及年平均气温）作用下，钢管杆杆顶的最大挠度不应超过下列数值：1 直线型杆 1）直线杆不大于杆身高度的5‰；2）直线转角杆不大于杆身高度的7‰。2 转角和终端杆 1）66kV及以下电压等级挠度不大于杆身高度的15‰；2）110kV～220kV电压等级挠度不大于杆身高度的20‰。】。综上所述，要以控制杆顶的挠度作为首要设计原则。在具体的设计中，为了不让过大的挠度影响外观，尽量减少挠度，同时又不能大大增加钢管杆的自重，在杆重增加不多的情况下，挠度值控制在规范50%左右是比较合理的。通过具体设计得知，影响钢管杆挠度的主要要素包括主杆锥度、梢径、截面形状以及壁厚。主杆锥度对钢管杆整体设计的影响最为明显，锥度直接控制钢管杆的自重。如果主杆锥度过小，则会使钢管杆自身重量加剧，同时也会增加钢管杆杆顶的挠度；如果主杆锥度较大，会导致根径过大，既浪费材料又影响美观。设计中发现，主杆梢径对钢管杆的挠度起控制作用，随着主杆梢径增大，挠度明显减小，钢管杆整体刚度得到显著提高。因此钢管杆的锥度和梢径值确定好之后通过对杆身壁厚和主杆材料的调整，使得杆顶挠度和杆身整体应力达到一个合理的平衡。同时，由于钢管杆在加工时存在壁厚负偏差值，为了满足工程使用中钢管杆挠度和强度的要求，一般杆身整体应力控制在75%～85%左右。另外，钢管杆截面的形状对于钢管杆挠度的影响较小，考虑到杆体受力的优化、加工、整体的美观等因素，10kV钢管杆截面以12边形为主，66kV及以上钢管杆截面以16边形为主。
2.1.1 主杆材料的优化设计
主杆材料的选择对主杆总重量有直接的影响。随着高强度钢材的使用，可根据钢管杆所受荷载的大小，选择不同强度的钢材，合理的控制主杆总重量。66kV及以下一般采用Q345，110kV～220kV可根据荷载的大小选择采用Q420。在钢管杆的构件当中，多数采用焊接的方式进行连接，这个特点就决定了钢管杆的大部分构件厚度要符合一定的焊接要求，如果构件厚度低于要求厚度，就很容易出现焊穿的情况，因此，钢管杆的构件厚度不得低于6mm，这是钢管杆构件厚度的最低要求。同时，考虑设备的加工能力，杆体厚度取值尽量小于30mm。
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2.1.2 主杆锥度和梢径的优化设计
锥度由钢管杆所受荷载的大小决定，钢管杆所受荷载越大，弯矩包络图斜率就越大，从而需要越大的锥度以保证受力合理。同时由于挠度控制的要求，需要合理的锥度来满足挠度要求。梢径的大小直接影响着整个杆身的尺寸，梢径的取值既要满足构造要求，又要满足挠度要求。
2.1.3 主杆截面形状的优化设计
常用钢管杆有环形截面和多边形截面。钢管杆力学模型为一个悬臂梁，其挠度与截面惯性矩成反比，在同一荷载下，钢管截面越趋于环形，挠度越小。从力学角度分析，环形截面优于多边形截面。虽然环形截面在加工上也可实现，但较多边形截面难度大，且环焊缝较多，在实际工程中常采用多边形截面。10kV钢管杆截面以12边形为主，66kV及以上钢管杆截面以16边形为主；小根径多采用12边形截面，大根径多采用16边形截面。
2.1.4 主杆杆段划分的优化设计
钢管杆壁厚由上至下逐渐增大，需分为若干段，因受运输、镀锌和模型压制的限制，杆段长一般不超过12m。杆段太长不宜运输和加工，太短连接点太多，增加了杆重。在设计时，需要对杆段长度多次试算，使得每段杆件受力均匀，这样不但满足了安全要求，也优化出了最佳塔重。通常每段长度宜在10m左右，但当壁厚较大时（≥26mm），应综合考虑加工设备的加工能力，适当的减小段长。
2.2横担的优化设计
在输电线路钢管杆的设计中，横担也是影响其挠度的因素，横担通过自身重量和受力来影响钢管杆的挠度，而横担梢径、壁厚以及截面形状是影响横担受力和自重的主要要素。横担截面形状与主杆截面形状的作用基本相同，截面边越多，横担所承担的应力分布就越科学。当横担截面为槽型时，横担所受应力较为容易辨别，但这种截面形状适用于110kV及以下电压等级的线路。而当导线所产生的外负荷增大时，要适当调整横担的截面形状，通过增加横担杆体边数（常用八边形）来合理分配截面所需承受的应力。在影响横担受力的众多要素中，根径和梢径的影响是最为显著的。经过设计与实践发现，梢径和根径与横担的应力呈反比例关系。
3 影响钢管杆优化设计的其它因素
3.1 杆型规划
杆型决定着钢管杆承受荷载的大小，而荷载作用是钢管杆设计中的决定因素，因此杆型规划对工程造价的影响很大。在杆型规划时，首先应配合电气专业综合分析该工程的路径、沿线地形、地质、地物及跨越的障碍物等，确定杆型的经济呼高及档距。转角杆的角度划分是耐张杆规划中的重要环节，角度力往往控制转角杆的选材，一般以20°划分一档。如果该工程路径曲折系数大，转角数量多且角度使用广，可对角度划分进一步细化，如增加0～3°直线耐张杆。在钢管杆设计时，杆型的规划相当关键，需综合、全面的分析和考虑。
3.2 杆头与呼称高
在钢管杆的优化设计中，首先应将电气的间隙要求考虑其中，然后再在这一条件下控制线路走廊的宽度及优化杆头与横担的长度，同时还应将城区10kV线路与树木、路灯的交叉跨越高度考虑其中。在设计时，杆头与呼称高度的优化目标应选为杆塔重量最轻，同时适当考虑到根径的尺寸。一般对单双回路杆塔，将呼称高极差控制在3m，对多回路杆塔控制在2m。
4 结束语
钢管杆的优化设计涵盖面广，优化项目多。影响钢管杆的参数为挠度、锥度、梢径、截面形状、主杆壁厚和材料等，设计时，在满足强度和刚度要求下，需要合理的选择主要参数，反复计算使得结构优化。
参考文献：
[1]《架空送电线路钢管杆设计技术规定》（DL/T 5130-2001）
论文作者:王成
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6