輸電線路鐵塔塔腿輔助材布置方案分析

張遨宇　李士鋒　任宗棟　默增祿　王智飛

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 北京　100095)

摘　要：隨著電壓等級(jí)的升高和鐵塔尺寸的加大，塔腿高度也越來(lái)越大，由此導(dǎo)致腿部輔助材節(jié)間數(shù)增加。以某工程設(shè)計(jì)實(shí)例為依托，通過(guò)對(duì)比不同的塔腿輔助材布置方案，從節(jié)約鋼材和給主材提供有效支撐及優(yōu)化布置的角度進(jìn)行研究并確定推薦方案，進(jìn)而得到選擇合理的塔腿輔助材布置方案的原則，并提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：輸電線路； 鐵塔； 塔腿； 輔助材

DOI:10.13206/j.gjg201511010

ABSTRACT：Along with the increase of voltage level and size of the tower, the leg of tower was also heightened and led to the increase in the number of the nodes of auxiliary members. Based on a example of engineering design, comparing the different layout schemes of auxiliary members for leg, an optimized layout scheme was determined according to the mechanics and economic considerations. Then the principles for selecting reasonable layout scheme of auxiliary members of leg were presented in this paper.

收稿日期：2015 - 05 - 22

ANALYSIS OF THE LAYOUT SCHEME FOR AUXILIARY MEMBERS OFLEG OF TRANSMISSION LINE STEEL TOWERS

Zhang Aoyu　Li Shifeng　Ren Zongdong　Mo Zenglu　Wang Zhifei

(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China)

KEY WORDS：transmission line; steel tower; leg of tower; auxiliary members

第一作者：張遨宇，男，1983年出生，碩士，工程師。

Email：18910853893@163.com

隨著電網(wǎng)工程建設(shè)的高速發(fā)展，不僅500 kV和750 kV電壓等級(jí)已成為較為普遍的工程，而且±800 kV和1 000 kV等特高壓工程建設(shè)的速度也在逐步加快，隨著2013年9月國(guó)務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，12條跨區(qū)送電的“治霾通道”規(guī)劃方案也被提上日程。由于電壓等級(jí)不斷提高，使得輸電線路鐵塔尺寸加大，導(dǎo)致塔腿主材的規(guī)格不斷增大、塔腿高度和腿部輔助材節(jié)間數(shù)也隨之增加，因此輔助材的優(yōu)化配置顯得尤為重要。

在輸電線路工程設(shè)計(jì)中，塔腿輔助材的布置方案不拘一格。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，輔助材及節(jié)點(diǎn)板的質(zhì)量約占鐵塔總質(zhì)量的35%～40%。對(duì)于低電壓等級(jí)的輸電線路工程，由于鐵塔受力和空間尺寸都較小，鐵塔總質(zhì)量較輕，因此輔助材的布置形式相對(duì)于整個(gè)鐵塔質(zhì)量，不會(huì)體現(xiàn)出較為明顯的經(jīng)濟(jì)性；但對(duì)于高電壓等級(jí)工程，采用合理的腿部輔助材布置方案，一方面有益于為塔腿主材提供可靠支撐、確保鐵塔結(jié)構(gòu)的安全，另一方面也有利于降低塔質(zhì)量。

為適應(yīng)國(guó)內(nèi)輸電線路工程的發(fā)展現(xiàn)狀，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程建設(shè)中發(fā)揮更大的效用，對(duì)塔腿輔助材布置方案開(kāi)展研究是必要且具有現(xiàn)實(shí)意義的。

1　塔腿輔助材布置形式

輸電線路鐵塔塔腿輔助材的布置方式較多，由于斜材內(nèi)力較小，相對(duì)于塔腿正、側(cè)面，V面的輔助材規(guī)格大多取決于桿件的長(zhǎng)細(xì)比，因此V面的輔助材布置形式比較固定，多采用交叉斜材或再分式交叉斜材的方案。塔腿正、側(cè)面的輔助材，由于支撐內(nèi)力較大的主材，所以選材的控制因素有主材內(nèi)力、桿件的長(zhǎng)細(xì)比等。本文討論的塔腿輔助材布置形式僅針對(duì)塔腿正、側(cè)面，不包含V面。

以往的輸電線路工程電壓等級(jí)偏低、鐵塔結(jié)構(gòu)尺寸較小，塔腿輔助材布置多采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力清晰的形式，如圖1所示。

近年來(lái)，隨著輸電線路工程電壓等級(jí)的提高，鐵塔受力增加、結(jié)構(gòu)尺寸增大，為適應(yīng)長(zhǎng)腿、大根開(kāi)的鐵塔結(jié)構(gòu)，逐漸衍生出一批新的腿部輔助材布置方案(圖2)。

從結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，上述新型輔助材布置方案采取了再分式支撐，雖然桿件數(shù)量有所增加，但是單根桿件的計(jì)算長(zhǎng)度得以減小，從而充分發(fā)揮了輔助材的支撐承載能力，避免了輔助材受長(zhǎng)細(xì)比控制。對(duì)塔身開(kāi)口較大、塔腿較長(zhǎng)的情況，有可能起到降低材料量的作用。

本文依托鳳凰—西山750 kV線路工程，選取Ⅱ型直線塔和Ⅱ型轉(zhuǎn)角塔的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)腿部輔助材形式進(jìn)行比選。

2　塔腿輔助材布置方案分析

鳳凰—西山750 kV線路工程中ZB312H[1]和JG2H[2]塔型的設(shè)計(jì)風(fēng)速為31m/s、覆冰為10 mm、導(dǎo)線為6×LGJ - 400/50。選取ZB312H塔39 m接身(4.5 m～9.0 m接腿，級(jí)差1.5 m)和JG2H塔27 m接身(4.5 m～9.0 m接腿，級(jí)差1.5 m)進(jìn)行塔腿輔助材布置方案的分析(表1)。

注：塔身一次坡為塔身主材在塔身面內(nèi)的坡度，無(wú)量綱。主、斜材內(nèi)力為全工況計(jì)算的最大內(nèi)力，ZB312H最大主材內(nèi)力發(fā)生在60°斜向大風(fēng)工況、最大斜材內(nèi)力發(fā)生在90°大風(fēng)工況；JG2H最大主材內(nèi)力發(fā)生在最大轉(zhuǎn)角45°斜向大風(fēng)工況、最大斜材內(nèi)力發(fā)生在最小轉(zhuǎn)角導(dǎo)線掛線安裝工況。

為保證塔腿隔面橫材計(jì)算長(zhǎng)度一致，分別選取輔助材布置方案1和4、3和5作為對(duì)比項(xiàng)進(jìn)行分析。

2.1　經(jīng)濟(jì)性比較

在上述設(shè)計(jì)條件下，采用節(jié)點(diǎn)力平衡的方法分別對(duì)ZB312H塔39 m接身、JG2H塔27 m接身各接腿進(jìn)行輔助材設(shè)計(jì)，其質(zhì)量變化趨勢(shì)如圖3所示。

對(duì)于ZB312H塔39m接身的塔腿，輔助材布置方案4較方案1節(jié)約質(zhì)量21%～29%，方案較3節(jié)約質(zhì)量5%～10%；對(duì)于JG2H塔27 m接身的塔腿，輔助材布置方案4較方案1節(jié)約質(zhì)量35%～42%，方案5較方案3節(jié)約質(zhì)量19%～28%。各方案塔腿輔助材質(zhì)量如表2所示。

隨著塔腿隔面寬度增加、塔腿主材與斜材夾角增大，再分式輔助材布置方案有效地減小了輔助材的長(zhǎng)度，在一定程度上避免了由長(zhǎng)細(xì)比控制輔助材規(guī)格，提高了輔助材承載能力的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了降低輔助材質(zhì)量的目的，因此推薦采用方案4或方案5的再分式輔助材布置形式。

2.2　支撐效果

國(guó)內(nèi)輸電線路鐵塔的設(shè)計(jì)，多采用桿系有限元模型，首先完成鐵塔受力材的分析計(jì)算，然后根據(jù)其受力狀態(tài)計(jì)算對(duì)應(yīng)的輔助材。這樣的設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致無(wú)法評(píng)估不同輔助材布置形式對(duì)受力材的支撐效果。而在實(shí)際情況中，塔腿主材具有較大的剛度，除承受軸力外還存在彎矩的作用，使用輔助材進(jìn)行支撐時(shí)，也會(huì)對(duì)主材的軸力和彎矩造成影響。因此，評(píng)價(jià)輔助材對(duì)主材的支撐效果應(yīng)引入新的計(jì)算模型和方法。

本文引入國(guó)際通用有限元分析軟件ANSYS，利用輸電鐵塔力學(xué)輔助研究軟件TTR實(shí)現(xiàn)TTA或道亨軟件計(jì)算數(shù)據(jù)向ANSYS計(jì)算數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將主材作為梁?jiǎn)卧?、斜材及輔助材作為桿單元考慮，通過(guò)分析不同輔助材布置形式對(duì)主材內(nèi)力的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助材支撐效果的評(píng)價(jià)。

2.2.1　塔腿主材內(nèi)力計(jì)算

以ZB312H塔39 m接身、9 m接腿為例，塔腿輔助材布置形式采用方案3和方案5，利用ANSYS程序?qū)τ?jì)算模型分別計(jì)算，如圖4所示。

對(duì)比TTA程序和ANSYS程序的計(jì)算結(jié)果，將塔腿主材的內(nèi)力整理如表3所示。

注：負(fù)號(hào)表示受壓。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用行業(yè)內(nèi)通用滿(mǎn)應(yīng)力鐵塔設(shè)計(jì)軟件TTA和大型通用有限元分析軟件ANSYS分別計(jì)算，塔腿最大軸力略有區(qū)別，其值相差不到0.2%，且控制工況均為60°斜向風(fēng)正常運(yùn)行工況；由于ANSYS軟件中主材設(shè)置為梁?jiǎn)卧蚨軌蚩紤]彎矩的影響，但方案3與方案5塔腿主材中的最大彎矩值基本一致。

2.2.2　塔腿主材內(nèi)力分布

ZB312H塔39 m接身、9 m接腿的模型，腿部為6等分節(jié)間，不同節(jié)間的主材內(nèi)力(60°斜向風(fēng)正常運(yùn)行工況)如表4所示。

注：節(jié)間編號(hào)由上自下由小及大。

方案3最大軸力出現(xiàn)在塔腿頂部第1節(jié)間，其軸力分布具有自上而下依次減小的趨勢(shì)；方案5的最大軸力出現(xiàn)在第3節(jié)間，呈現(xiàn)中間大兩端小的分布特點(diǎn)。但兩種輔助材布置形式的最大彎矩均出現(xiàn)在第5節(jié)間，即自上而下的倒數(shù)第2個(gè)節(jié)間(圖5)。

2.2.3　彎矩的影響

上述模型塔腿主材規(guī)格為Q345

200×20的等邊角鋼。以塔腿第5節(jié)間、方案3為例，僅考慮軸力時(shí)，應(yīng)力為259.90 MPa；考慮彎矩的影響，應(yīng)力為290.90 MPa，增幅達(dá)到11.93%。

在這種情況下，對(duì)于彎矩的影響應(yīng)給予充分的重視，僅采用傳統(tǒng)的桿系有限元計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在一定的安全隱患。以往工程實(shí)踐中的鐵塔真型試驗(yàn)，出現(xiàn)過(guò)塔腿倒數(shù)第2節(jié)間發(fā)生破壞的情況，這與上述分析形成了相互的印證。

2.2.4　輔助材局部加密

由于塔腿主材倒數(shù)第1、2節(jié)間存在較大的彎矩作用，為了盡量減小這種影響、提高鐵塔的安全性，考慮在方案5的基礎(chǔ)上局部加密倒數(shù)第1、2節(jié)間，即對(duì)第5、6節(jié)間繼續(xù)細(xì)分(圖6)。

塔腿下端輔助材局部加密后，主材最大彎矩仍出現(xiàn)在自上而下的倒數(shù)第2個(gè)節(jié)間，且數(shù)值較之前有所增加(表5)。但是出現(xiàn)較大彎矩的節(jié)間，其對(duì)應(yīng)的軸力有所降低，同時(shí)輔助材加密使得主材受力狀態(tài)呈強(qiáng)度控制、穩(wěn)定系數(shù)也有所增大，因而由軸力產(chǎn)生的應(yīng)力得以降低?？紤]軸力與彎矩的效果疊加，方案5的主材最大應(yīng)力出現(xiàn)在第5節(jié)間，其值為290.77 MPa；輔助材局部加密后，主材最大應(yīng)力出現(xiàn)在第1節(jié)間，其值為280.66 MPa，相比僅考慮軸力作用時(shí)，應(yīng)力增大了6.62%。

塔腿下端輔助材加密后，盡管局部的彎矩有所增加，但較為顯著地降低了對(duì)應(yīng)節(jié)間的軸力，考慮綜合效果，確實(shí)能夠改善主材的受力狀況。

3　結(jié)　論

1)輔助材再分式支撐相比傳統(tǒng)的三角支撐，能夠有效地減少鋼材用量，且隨著塔腿空間尺寸增加、節(jié)間數(shù)增多、荷載增大，其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)越為明顯。

2)引入ANSYS有限元程序，分析不同輔助材布置方案下塔腿主材的受力狀況，再分式輔助材布置方案和三角形方案均可以對(duì)塔腿主材形成有效支撐，不同輔助材布置形式下塔腿主材的最大內(nèi)力基本一樣。

3)僅采用桿系有限元模型設(shè)計(jì)鐵塔是存在安全風(fēng)險(xiǎn)的，當(dāng)考慮彎矩影響時(shí)，塔腿主材的應(yīng)力有較大幅度的增加，在本文選用的條件下，增幅接近12%。

4)塔腿主材內(nèi)的最大彎矩通常出現(xiàn)在自上而下的倒數(shù)第1、2個(gè)節(jié)間，對(duì)這兩個(gè)節(jié)間局部采取輔助材加密的措施，雖然彎矩略有增加，但是主材軸力有較為顯著的降低，考慮軸力與彎矩的疊加效果，局部加密的輔助材布置方案能夠改善塔腿主材的受力狀況，在一定程度上提高了設(shè)計(jì)的安全性。

5)對(duì)于超高壓或特高壓工程，推薦采用再分式下端加密的輔助材布置方案，建議采用梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ蛯?duì)鐵塔進(jìn)行校驗(yàn)，如僅采用桿系有限元模型，應(yīng)至少保留10%的安全裕度。

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