摘要：由于我国输变电工程建设在不断的进行推进，因此钢结构电力铁塔的优化具有重要意义。在很多丘陵地区，V字型、酒杯型和猫头型钢结构铁塔比较常见，本文根据我国电力工程设计院的铁塔优化理论，以优化塔头，减轻铁塔重量的方法，对V字型、酒杯型和猫头型钢结构铁塔的塔头、重量进行优化，并探析钢结构铁塔下一步的优化方向，希望通过给予我国输变电工程建设工作者提供相关的技术支持，能够改善我国电力铁塔钢结构设计的质量。
关键词：电力铁塔；钢结构设计；优化技术
随着国家持续性的发展，各行各业都卷入与时俱进的浪潮之中，我国输变电建设工程也在对钢结构电力铁塔的优化煞费苦心。根据中国电力工程设计院的实例验证，对钢结构电力铁塔的塔头进行优化，可减轻铁塔重量，优化效果极为明显。因此，本文旨在分析电力铁塔钢结构设计现状，并探析电力铁塔钢结构设计优化技术，以期能够为相关人士提供一定的帮助。
1、电力铁塔钢结构设计现状
当前，在我国输变电工程建设当中，钢结构电力铁塔占据主要地位，钢结构电力铁塔属于多种部件铰接而成的一个整体，一般由导线横担、地线支架、上曲臂、下曲臂、塔头立柱、塔腿、塔身与拉线等多种部件组成。如果气象条件、电压等级、导地线荷载、塔头电气间隙圆与呼称高十分明确、稳定，那么不会对钢结构电力铁塔耗量指标、杆件内力与选材产生影响，但如果钢结构电力铁塔各部件的几何尺寸和杆件结构没有进行合理的布置，那么钢结构电力铁塔耗量指标、杆件内力与选材就会被影响。一般而言，将杆件长度、面积设计到最小，并保证杆件具有一定的强度和稳定性，就能使得塔材重量达到最轻。
输变电钢结构铁塔俗称电力铁塔，按组立方式分为：拉线式（L）和自立式，按电压等级分为：35KV、110KV、220KV、330KV、500KV和750KV等，按结构形式分为:V字型（V）、酒杯型（B）、猫头型（M）、正伞型（Sz）、三角型（J）、桥型（Q）、叉骨型（C）、干字型（G）、上字型（S）、门型（Me）、倒伞型（Sd）、田字型（T）、羊角型（Y）、鱼叉型（Yu）、鼓型（Gu）和王字型（W）等[1]，按用途分为:直线塔（Z）、转角塔（J）、直线转角塔（ZJ）、终端塔（D）、换位塔（H）、跨越塔（K）和分支塔（F）等，按线路回路分为：双回路（S）和单回路。电力铁塔的焊接比较简单。由于电力铁塔一般采用粗制螺栓连接杆件，由连接钢板、螺栓和角钢组成一个完整的铁塔，其中有个别部件由多块钢板焊接组合而成，因此运输、热镀锌防腐和施土架设非常方便。
目前，中国电力工程设计院已经在220KV送电线路工程与500KV送电线路工程当中对V字型（V）、酒杯型（B）、双回路（S）直线塔进行了优化设计。中国电力工程设计院的优化目标非常明了，采用满应力电算程序，应用动态规划将铁塔多个部件的结构布置、几何尺寸进行优化设计，从而使得钢结构电力铁塔的重量达到最轻。结果显示，优化后的电力铁塔仅单基指标就能节省一吨的钢材，经济效益具暴增。经过对结构受力进行分析发现，根据结构几何形状、受力特性科学组合钢结构材料，钢结构材料的力学特性发挥得越明显，结构重量则越轻；对截面形状、刚度配置进行适当的控制后，再将内力分布、位移发布的材料配置稍作调整，结构重量则会变轻；力的传递轨迹越明显，并且支承反力越容易平衡外荷载，结构重量则越轻。因此，应以减轻铁塔重量作为钢结构电力铁塔的优化原则。
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2、电力铁塔钢结构设计优化技术分析
2.1 V字型铁塔钢结构设计优化技术分析
V字型电力铁塔具有钢耗低、刚度大、稳定性高、抗风性强的特点，其结构布置具有拉线受拉、立柱受压的特点，采用高强度钢铰线、格式组合压杆构件，不仅能够发挥构件的力学特性，还能够发挥材料的力学特性。由于V字型电力铁塔立柱容易发生二阶效应，为细长杆件，占用面积较大，对农耕作业也影响很大，赔偿费用非常高，因此在农田地区不是非常密集的丘陵地区的220KV、500KV线路上，V字型电力铁塔比比皆是。
V字型电力铁塔的塔头由导线横担和地线支架和地线支架组成，导线横担的重量占V字型电力铁塔的36%，地线支架的重量占V字型电力铁塔的4%，优化V字型电力铁塔塔头时，优化导线横担更具有意义。由于横担杆件结构对其内力、应力具有极大的影响，因此对横担主材选择、立面高度、主斜材结构的布置和立柱顶端到导线拉线挂点的距离进行优化，就可以减轻V字型电力铁塔的重量[2]。
2.2 酒杯型铁塔钢结构设计优化技术分析
目前，我国500KV输电线路的自立式单回路直线铁塔主要有酒杯型（B）、猫头型（M）。酒杯型与猫头型铁塔一般以悬垂串挂线作为三相导线，在同样的设计环境中，由于猫头型铁塔线路走廊长度和塔头尺寸小于酒杯型铁塔，因此猫头型铁塔线路走廊赔偿费低于酒杯型铁塔，其线路电晕、电能损失也少于酒杯型铁塔，但是从整体的角度来看，猫头型铁塔高度较高、基础作用力大、耐需性差、钢耗大。
由于自立式单回路直线铁塔的塔头重量占整塔40~50%，因此优化自立式单回路直线铁塔的塔头极具意义。在酒杯型铁塔当中，利用V型悬垂绝缘子对塔头尺寸进行控制，可达到减轻酒杯型铁塔重量的效果。在猫头型铁塔当中，其线路走廊较窄，需要添设3串绝缘子。由于边导线横担长于悬垂串横担，因此猫头型铁塔的综合效果不是很理想[3]。如果采用M型布置，两侧继续选用悬垂串，中相选用v型串，那么仅是增加了一串绝缘子，就可以比采用3串悬垂串的电力铁塔的线间距离少4m，并最终达到缩减塔头尺寸的目的，使得猫头型铁塔的重量得到减轻。
2.3电力铁塔与基础优化设计分析
在继电力铁塔重量优化或塔头优化之后，基础优化势必成为输变电工程对电力铁塔进一步优化的计划之中。由于基础优化的目标是将铁塔耗钢量进行优化，因此求得铁塔最佳坡度不仅非常具有经济性，还十分具有应用性。按照我国在孟加拉所参与并承包的工程来分析:132KV线路工程在吉大港城郊。地基土质大多属于淤泥质粉质的灰黑色粘土、软塑，具有极限摩阻力小、承载力低的特点。基础主要为弹性连梁灌注桩[4]。由于孟加拉的钢材、骨料、水泥进口的费用颇高[5]，因此基础优化和降低工程造价至关重要。单从铁塔基础优化来看，铁塔坡度需要在主材开合角合理的范围中进行调整。由于塔腿坡度越大，钢耗量就越大，并且基础作用力越大，钢耗量就越大，因此铁塔坡度越佳，基础作用力越适中，基础优化效果就越明显，钢耗量就越少。
3、结束语
我国的电力铁塔丰富多样，按组立方式、电压等级、结构形式、用途、线路回路都具有相应的划分方法，在我国丘陵地区，V字型铁塔、酒杯型铁塔和猫头型铁塔比较常见，V字型铁塔、酒杯型铁塔和猫头型铁塔的优化方向比较统一，都以对塔头进行优化和减轻铁塔重量为主。在塔头优化之后，我国的输变电铁塔优化工程势必会朝着基础优化的方向迈进。基础优化的基本目的是减少耗钢量，只要将电力铁塔坡度、基础作用力设置为最佳、最合理，就能使得电力铁塔耗钢量大大减少，并使得优化效果进一步提高。
参考文献：
[1]谭沛光,董仁义,王超.输电铁塔基本钢结构的有限元优化设计方法[J].制冷空调与电力机械,2004,S1:60-61.
[2]帅慧明.高压输电铁塔结构优化设计方法研究与应用[D].广州大学,2011.
[3]陈永叠.输电线路铁塔结构设计的现状和优化措施[J].黑龙江科技信息,2010,36:12.
[4]庞军.基于S600特高压输电铁塔钢管抱杆优化设计[J].机械管理开发,2011,02:53-54.
[5]徐国钧.我国输电铁塔型材应用现状及优化措施[J].基建管理优化,2011,03:7-9.
论文作者:刘婷,周洁
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/28
标签：铁塔论文; 电力论文; 钢结构论文; 字型论文; 头型论文; 酒杯论文; 重量论文; 《基层建设》2016年12期论文;