摘要：随着社会的发展，我国的用电量不断增加，输电线路的建设越来越多。送电线路的电压等级不断地提高，从110~220kV、500kV、750kV、±800kV直流及1000kV交流线路，铁塔作为架空送电线路主要构成，其设计质量的优劣将直接影响送电线路的经济性和安全性。本文首先论述了铁塔设计的主要原则，其次对铁塔结构设计的关键点进行简单说明。
关键词：高压输电线路；铁塔结构；设计
引言
随着国内电网建设规模的逐步扩大，在电力系统发展中推动高压输电线路的建设已经成为必然的趋势。高压输电线路在整个供配电系统中扮演着非常重要的角色，它能够把电能从遥远的山区地方输送给城市电力负荷区域，为城市提供了平衡的供电，其在整个农业与工业的发展作用不言而喻。因在高压输电线路工程当中，其施工环境具有一定的特殊性，怎样按照设计单位提供的图纸使工程的施工质量与进度得到有效保证，这也是工程施工中值得重点关注的问题。本文提出分析及探讨了输电线路铁塔结构优化设计。
1铁塔整体结构分析
输电线路工程中，电气专业将铁塔塔型选定、明确之后，让铁塔既满足电气要求，又在结构方面安全、可靠的前提下，使得塔重最轻、外型美观、运行维护方便是铁塔结构优化的主要目标。要实现上述目标，铁塔需在满足构造要求的前提下结合外荷载特点进行优化，使铁塔各部件受力清晰、传力直接、节点处理简单、布材满足其受力特点。
2设计要点及注意事项
2.1铁塔的根开和塔身口宽的设计
塔身口宽和铁塔根开取值与塔身坡度的变化相互关联，对铁塔的整体刚度和塔重的变化影响巨大，所以选择最佳的塔身口宽和根开尺寸是优化铁塔设计关键环节之一。此外，塔身坡度的大小关系到基础作用力以及铁塔建成后的占地范围，塔身坡度越小，占地范围越小，但基础作用力越大；塔身坡度越大，基础作用力就越小，但占地范围变大。因此，在确定的一个使用条件下，存在一个合适的塔身上下口尺寸和坡度范围，在这一范围内，铁塔的材料耗量最低，由于上口受电气间隙的限制，可调整的范围不大，在满足电气间隙的条件下，小范围调整上口尺寸，较大范围的调整下口尺寸，对塔身坡度和根开进行多方案组合优化，在保证铁塔整体强度和刚度的条件下，计算出最合理的坡度和根开。
2.2节间计算长度的设计
当外部的荷载不变时，构件计算长度确定合适与否会严重影响其截面的选择，直接影响塔重。塔身主材节间布置的合理化，可充分发挥构件的承载潜能。结合斜材对水平面的夹角，并考虑到主材计算长度的因素，采取不等长节间，使主、斜材受力合理，各段主材受力程度均匀。最佳的构件计算长度就是构件的强度与稳定相当时的计算长度，相应长细比为主材最佳长细比。轴心受压的主材，其计算长度容易达到这个要求；但偏心受力的斜材在铁塔身部尺寸较大时，其距离也大，要斜材的强度与其稳定相当，则需增加较多的辅助材，且因构件增多，导致铁塔布置密集，增加了挡风面积，引起外荷载增加，导致铁塔重量反而加大，因此，偏心受力的斜材较难达到要求，须经过多次计算比对。根据对J30102B2塔详细计算比较，一般角钢主材的长细比最佳值为40～50。
2.3铁塔塔身横断面样式分析
一般来说，高压输电线路所用的直线型铁塔的塔身横断面样式，有长方形（即矩形）和正方形。直线型铁塔的水平荷载（即垂直于线路方向，平行于横担方向）大于其顺线路方向的纵向荷载，故此情况下的铁塔塔身横断面为长方形的样式是正确的。但其抗纵向荷载能力较差，而方塔抗纵向荷载能力强。因一般500kV电压等级的线路为主网电源点输出线路，其安全性、稳定性、重要性要求较高，故一般采用正方形横断面的铁塔塔身。
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2.4铁塔塔身坡度优化
坡度是由塔身高度、塔身瓶口宽度和塔脚根开这三个独立的变量确定的，即为（塔脚根开－塔身瓶口宽度）/塔身高度。当塔头形式和呼高确定后，塔身就是一定值，这时塔身坡度就由塔身瓶口宽度和塔脚根开来确定。塔脚根开与塔身瓶口宽度的差值越大，塔身坡度越大；塔脚根开与瓶口宽度的差值越小，相应的塔身坡度越小。在塔身变坡处宽度一定的情况下，塔身坡度的优化实际上就是铁塔根开的优化，铁塔根开的大小会控制塔身主材，进而影响整基塔的重量，同时还会对基础作用力的大小产生较大的影响。塔身坡度越小，铁塔斜材越短。同时，斜材受力也越小，斜材重量将会减轻，但铁塔主材内力将加大，主材规格就越大，根据计算，铁塔主材一般要占整个塔重的40%左右，主材的大小对塔重的影响最大，因此，坡度越小塔重反而会增加。反之，塔身坡度越大，根开就越大，塔身主材内力就越小，主材规格就相应减小，但此时，铁塔斜材长度会增长，内力随之而增大，斜材规格将会急剧增加，斜材基本受长细比控制，很明显，也是不经济合理的。塔身坡度、铁塔整体的安全稳定以及铁塔重量，三者是相辅相成的，不断变化的，需要反复设计计算，找到三者的契合点。其中，塔身瓶口宽度尺寸一般来说可调节范围较小，但是其甚至影响到整个铁塔的刚度、塔头的稳定性和全塔的重量。
2.5塔身斜材布置
塔身斜材常用的布置型式有：倒“K”型、交叉式、正“K”型布置，目前铁塔设计均采用几种型式组合布置，有效避免了采用单一型式时斜材同时受压的情况发生，同时可以使斜材拉压受力，充分利用拉压系统的受力特性（拉杆对压杆的稳定计算起支撑作用），减小斜材规格，降低铁塔耗材。交叉斜材通常须增加辅助材，以加强其刚度和稳定性，为充分利用主材的计算长度，最大程度提高塔身斜材承载力，同时满足铁塔刚度和稳定性要求，避免出现过大的长细比和支撑角度，按铁塔不同高度的口宽，推荐采用以如图1五种型式。
因塔身斜材与水平面的夹角α的大小直接决定了斜材的受力大小，α越大，所需的斜材数量越少，单个斜材受力就越大，斜材规格也越大；α越小，所需斜材数量就越多，单个斜材受力就越小，但斜材规格也越小。根据对J30102B2塔详细计算比较，参照以往的工程经验，斜材与水平面的夹角α在35～45°范围时，设计的铁塔耗材最为经济合理。
2.6节点构造设计
铁塔设计的关键环节之一还有节点构造设计。其能够直接影响铁塔各连接构件承载力设计值与实际承载力是否相符，只有把握和解决好这一环节，才能使铁塔更为经济、合理以及安全可靠，对整个线路长期稳定地运行有着重要意义。因此设计人员不光要加强总体的把握，还要着重于细节的处理。在铁塔设计中过程中，对节点连接遵循以下几点原则：（1）相互连接的构件夹角不宜太小，构件的负端距不宜过大；（2）塔身斜材与主材的连接，可采用多准线法，最大可能使斜材与主材直接连接，取消节点板；（3）尽量减少杆件偏心连接，降低偏心弯矩对杆件承载力的不利影响；（4）通过不同的主斜材连接形式，来改变斜材的端部约束条件，减小长细比修正系数；（5）双面连接的构件件避免螺栓对钉布置，以减少构件的断面损失；（6）根据节间长度需求，合理调整构件长度，减少构件接头的包铁使用量，进一步降低塔材耗量。
结语
综上所述，在电力线路工程中，高压输电线路中的铁塔是重要组成部分之一，由于经济发展以及自然环境变化，要坚持因地制宜和因时制宜的原则，采取措施提高其设计水平，推动现代电力建设的规范化和不断发展。
参考文献
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[2]《110～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）.
[3]《电力工程高压送电线路设计手册》.中国电力出版社.
[4]王运华.浅析高压输电线路铁塔结构设计研究[J].工业设计，2012（02）.
[5]王峥，底尚尚.基于当代高压输电线路铁塔结构设计的几点分析[J].建材发展导向，2013（14）
论文作者:王文轩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/6/11
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