摘要：输电线路铁塔是架空输电线路的基础设施，并且在输送电力过程中发挥着重要作用。本文结合输电线路铁塔结构设计的相关理论，主要研究了优化设计的建议，希望为电力输送的安全、畅通提供帮助。
关键词：输电线路；铁塔结构；设计
前言
近年来，我国电力事业高速发展，电网不断升级，输电线路向高电压、大容量、多回路和紧凑型发展，随着同塔多回路工程、大截面导线工程、大跨越工程的建设，塔型越来越大，承受的荷载也越来越大。这就对输电铁塔的结构设计、钢材强度提出了更高的要求。同时铁塔结构设计也直接影响着输电系统的稳定性，由此深入研究输电线路铁塔结构设计就有着重要的现实意义。
1.我国输电线路铁塔结构设计的现状
我国输电线路铁塔目前用材主要以热轧角钢型材为主，辅以少量钢管，钢材的品种以Q235和Q345两种为主，铁塔采用热镀锌防腐，使用年限约为50年；与发达国家相比，品种少、强度值偏低、可选择余地小。为了使输电铁塔经济合理，满足建设要求和设计需求，铁塔建造材料的强度就必须大幅提高。
当构件设计荷载较大时，传统的角钢截面将不能满足设计需求，因此一般要通过采用组合断面的方法来满足铁塔构件的承载能力要求，这必然导致铁塔杆件数量及钢材规格增多，节点构造复杂，安装工作量增大，从而造成投资和资源消耗的增加，影响我国电力行业在国际市场上的竞争力。由此加强铁塔结构设计研究，充分发挥材料的承载性能，以提高电网的经济效益和社会效益，是输电线路建设过程中的重要课题。
2.铁塔结构设计应注意的问题
2.1杆端弯矩对双回路钢管塔的影响
特高压输电铁塔，由于焊接的连续性、节点板刚性连接等原因的影响，桁架杆件在节点处受到很大的嵌固作用，在一定程度上限制了杆件间夹角的变化，造成杆件弯曲，形成了杆端弯矩，使得构件及节点局部应力的不均匀、杆件和节点易发生破坏。相关实践也表明：对于钢管塔的大部分构件，由于杆端弯矩产生的应力占全部应力的15%左右，可充分利用钢管优良的塑性性能来抵抗杆端弯矩的不利影响；当杆端弯矩产生的应力超过15%时，应考虑杆端弯矩的影响，避免出现塑性过度发展，在实际操作中，可通过预留适当的裕度来考虑[1]。
2.2山地线路钢管塔材运输
山地线路钢管塔材的运输是设计需要重点关注的问题。对于山前平地塔位，角钢和钢管塔材均采用大卡车进行运输，主要采用汽车吊卸；山区地形坡度小于30°，且具备修路条件的塔位，可采取修路使用履带车运输的方式。对于山区地形坡度大于30°，或不具备修路条件的塔位，则采取索道运输。角钢运输可采用简易索道，而钢管运输需要采用重型索道。为便于山区线路塔材的运输和安装，原则上需要控制钢管塔材单件重量不超过3.5t、且长度不超过9m；角钢塔材单根构件重量在1t以内、且长度不超过12m。
3.输电线路铁塔结构设计的优化分析
3.1优化原则
杆塔结构布置本身就含有优化的要求，大型铁塔的钢耗量大，结构优化的意义更大。大型铁塔的优化力求在满足电气要求的前提下，在保证杆塔结构强度与刚度的同时，降低杆塔造价，更进一步的目标是使杆塔与基础总体造价最低。在对铁塔结构进行优化的同时还要兼顾整体造型协调、美观。由此对铁塔结构的优化设计应满足以下要求：
（1）结构形式简洁，杆件受力明确，结构传力路线清晰；
（2）结构构造简单，节点处理合理，有利于加工、安装和运行安全；
（3）结构布置紧凑，尽量减少线路走廊的宽度，节约有限的土地资源；
（4）结构节间划分和构件布置合理，充分发挥构件的承载能力；
（5）结构选材合理。降低铁塔的钢耗量，使铁塔造价经济。
杆塔结构的优化设计大致遵循如下原则：首先根据电气参数确定基本塔型，然后从材料的角度考虑钢管、高强钢，以及为了减小线路走廊宽度而考虑紧凑型的塔型进而针对不同塔型再进行坡度、节间等布置的优化设计[2]。
3.2优化输电线路铁塔结构设计的建议
3.2.1应用合理的材料
为了提高输电线路铁塔塔身的抗风能力和稳定性，需要应用具有良好动力学性能的新型材料。如以往输电线路杆塔普遍采用的钢材材质为Q345，随后出现的Q420高强钢为输电线路铁塔设计降低钢材质标提供了有力支撑。并且随着Q420的角钢塔在特高压直流、交流工程中的应用，不仅节约了5%~10%的材料重量，而且简化了铁塔的结构，减轻了单根构件的重量，相应的运输、安装等成本也随之降低，节省了工程造价。再如传统铁塔主要由螺栓连接而成，结构简单、运输方便，但对于承载大荷载的特高压杆塔来说，如果采用角钢结构，直线塔的主材基本为双组合或四组合，转角塔即使采用四组合结构有时也难以满足承载力的要求，需采用格构式角钢柱，这些结构不仅复杂，增加了设计、施工难度，而且增加了影响着结构安全的不确定因素。此时采用钢管塔结构有着相对优势：结构简洁、传力清晰，能充分发挥材料承载性能；截面中心对称，截面特征各向同性；。由此可以看出铁塔材质应根据结构的重要性、结构型式、连接方式及结构所处的环境、气温等条件进行合理选择。
3.2.2合理优化塔身坡度
塔身的坡度和塔材布材对铁塔重量的影响至关重要，它直接影响塔身主材、斜材的规格以及基础作用力。合理的塔身坡度和塔材布材应使塔材应力分布的变化及材料规格的变化相协调，使塔材受力均匀[3]。
铁塔根开和塔身坡度与构件的受力状态有直接关系，塔身坡度越大，主材受力越小、基础作用力也越小，但斜材长度和辅助材长度会增加，甚至使辅助材数量增加，结构布置也会复杂：反之，主材受力加大、基础作用力也加大。铁塔整体刚度降低，但斜材长度随之减小。塔身坡度及根开优化就是以整基铁塔重量为目标函数，综合构件受力性能和基础作用力等因素，最终选取最佳的坡度和根开。
此外塔身坡度、铁塔整体的安全稳定以及铁塔重量，三者是相辅相成的，需要经过反复计算，来寻求三者之间的平衡点。其中，塔身瓶口宽度尺寸一般来说可调解范围较小，但它关系到整个铁塔的刚度、塔头稳定性及全塔的重量。不同塔身坡度对塔重的影响如图1所示。
图1塔身坡度与塔重的关系图
3.2.3合理选择塔型
对于单回路来说，广泛采用的塔型主要有酒杯塔和猫头塔。两种塔型各有优缺点，酒杯塔的三相导线呈水平排列，横担长度比猫头塔要长，因而线路所占的走廊较宽；而猫头塔三相导线呈三角排列，中相导线要抬高近20米高，导致铁塔的负荷增加，塔重要比水平排列重5%~10%。为此，需针对工程具体情况选择酒杯塔或猫头塔。一般来说走廊要求不严、拆迁量不大的山区线路，为了降低工程造价，宜采用酒杯塔，而平丘地区走廊相对拥挤，拆迁量较大，宜采用猫头塔。
针对山区线路经过坡度较大区域。铁塔使用高度易受上山坡侧边导线对地距离控制，而下山坡侧导线对地距离高，容易受到雷电绕击的情况，可以考虑采用“下”字型新型边坡直线塔，与酒杯塔相比降低了下山坡侧导线对地高度，减小了雷电绕击概率。
对于双回路来说，铁塔头形状按回路布置方式主要可分为垂直布置和三角形布置。与垂直布置方式相比，采用三角形布置可降低塔高约20m，但是走廊宽度约需增加40m，经初步估算，无论在经济效益指标还是在社会效益、环境效益等方面，三角布置都不具有优势，因此工程中一般不推荐采用。
4.结语
总的来说，输电线路铁塔结构对电网安全稳定的运行和建设投资的经济合理具有重要的影响。面对电压等级不断提高的形势，铁塔结构大型化、复杂化的趋势也日益明显，由此需要不断深化结构的优化、不断推广新材料和新工艺的应用，既要满足铁塔结构的强度，又要使结构经济合理，进而提高整个输电系统的经济性和安全性，保证输电线路稳定供电。
参考文献：
[1]张小锋.高压输电线路铁塔结构设计几点解析[J].通讯世界.2017（17）
[2]陈宏.输电线路铁塔结构设计的重点研究[J].科技展望.2015（18）
[3]杨常青.输电线路铁塔结构设计的现状和优化措施[J].中国新技术新产品.2014（20）
作者简介：
莫锡（1980.7—），男，广西南宁人，工程师，大学本科，从事输电线路结构设计工作。
论文作者:莫锡
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/13
标签：铁塔论文; 线路论文; 结构论文; 坡度论文; 结构设计论文; 杆塔论文; 构件论文; 《基层建设》2019年第9期论文;