張 斌

（中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西太原030001）

1 塔身、塔腿坡度優(yōu)化

雙回路傘型塔的塔頭立柱（塔頭段塔身）呈錐型布置［1］，變形協(xié)調(diào)，受力合理、外形美觀。但坡度優(yōu)化易受電氣間隙圓控制，導致橫擔長度的改變而影響整個塔頭幾何尺寸的變化。塔頭以下塔身段的優(yōu)化，同樣也會影響塔腿根開和基礎(chǔ)作用力的變化，甚至影響到基礎(chǔ)的耗量和造價。因此，對塔頭立柱和塔身的坡度優(yōu)化解需綜合優(yōu)選對比。

塔頭立柱和塔身坡度受塔頭頂部開口、變坡口寬度和塔腿根開控制。塔身變坡口寬度值的大小不僅將同時影響塔頭立柱與塔身結(jié)構(gòu)，此外還可能受電氣間隙圓的影響，導致下橫擔長度發(fā)生變化。則令變坡口寬度以電氣間隙圓受控寬度為定值，分別對塔頭立柱和塔身坡度進行優(yōu)化，其均存在一優(yōu)化解。結(jié)果如下：

2.1 塔頭立柱坡度優(yōu)化

以變坡口寬度為定值。塔頭立柱頂部開口為變量，選擇下表5個方案。

表1

以上計算表明：塔頭頂部開口寬度取4.0米最為經(jīng)濟。

2.2 塔腿根開優(yōu)化

塔腿坡度優(yōu)化如表2所示（單位：m）：

表1

注：表中電算重量系Q235、Q345材質(zhì)構(gòu)件組成。

根據(jù)表中優(yōu)化結(jié)果：變坡口開口取6.7m；塔身單側(cè)坡度取0.11時，塔材耗量適中，且基礎(chǔ)作用力比較合適。

2 塔身布置優(yōu)化

2.1 塔身節(jié)間布置優(yōu)化

塔身段主材節(jié)間長度布置是否合理要看主材能否充分發(fā)揮其材料特性。因為承載能力與主材的長度、截面面積及材料屈服點有關(guān)。當主材由強度控制時，主材選取的截面面積（規(guī)格）與其所承擔的內(nèi)力成正比，內(nèi)力愈大，選取截面面積愈大。當主材由穩(wěn)定控制時，主材規(guī)格的選取則不僅與其所承擔的內(nèi)力有關(guān)，還與主材本身的長度有關(guān)，內(nèi)力不變時，構(gòu)件的長度越長，所需規(guī)格越大；而長度不變時，內(nèi)力越大，所需規(guī)格也越大。因此，當外荷載一定時，構(gòu)件計算長度確定合適與否會嚴重影響其截面的選擇，直接影響塔重。

最佳的主材計算長度就是主材的強度與穩(wěn)定相當時的計算長度（即臨界長度）。鋼材的設(shè)計強度越大則臨界長度越小，即Q420鋼種比Q345鋼種的臨界長度要小。角鋼肢寬在140～160的主材，當采用Q345時，最小軸布置的計算長度取 1.3～1.4m 最合適，而當采用 Q420時，最小軸布置的計算長度取1.2～1.25m最合適；對于角鋼肢寬在 180～200的主材，當采用Q345時，最小軸布置的計算長度取1.6～1.65m最合適，而當采用Q420時，最小軸布置的計算長度取 1.45～1.50m 最合適。

節(jié)間長度的確定還受塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制約，同時應(yīng)考慮到節(jié)間長度對斜材、輔助材的影響以及腹桿布置形式對主材的內(nèi)力影響。通過采取以設(shè)計經(jīng)驗，塔身段采用三個對比方案如下：

第一、第二方案節(jié)間數(shù)相等，基本相似。第一方案頂部和底部節(jié)間采用K型和倒K型布置，減少了橫隔與塔身匯交點桿件；第二方案底倒K型布置，橫隔面布置位置比第一方案靠下；第三方案系大節(jié)間布置方案，斜材數(shù)量較少，但桿件長、規(guī)格大。三方案對塔材耗量的影響見表3所示：

表3

經(jīng)節(jié)間優(yōu)化和斜材布置對比。本塔塔身段節(jié)間組合采用方案1，節(jié)間不等長布置，結(jié)構(gòu)布局較合理、塔材耗量最輕，便于各呼稱高塔身、塔腿段銜接。

可見雖然很難理想地使主材長度達到按穩(wěn)定計算的承載力等于按強度計算的承載力，但利用此長度作為擬定節(jié)間長度的參考值，通過對桿件布置形式、節(jié)間長度的進一步優(yōu)化，是能夠降低部分塔重的。

2.2 塔身斜材、輔助材布置優(yōu)化

塔身主要受力斜材約占塔身部分重量的50%，占全塔總重的30%左右。塔身斜材的布置是否合適，直接影響到塔重和工程造價。

塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正K型”、“倒K型”等布置，單一的交叉布置型式容易使斜材產(chǎn)生同時受壓，幾種方式組合布置可以避免同時受壓的發(fā)生，使斜材受力成為拉壓系統(tǒng)，充分利用拉壓系統(tǒng)的受力特性，可減小斜材規(guī)格，降低塔重。常用的塔身交叉斜材布置方式有單分式（如圖1的型式一）和再分式（如圖1的型式二～型式四）：

圖1 布置型式圖

無論采取哪種斜材布置方式，最主要的問題就是斜材與水平面的夾角α的大小，α的大小直接決定了斜材的受力大小，α越大，斜材抗外荷載的力距越小，斜材受力就越大，斜材規(guī)格也越大；反之，α越小，斜材抗外荷載的力距則越大，斜材受力就越小，斜材規(guī)格也越小，但斜材數(shù)量就越多。根據(jù)±800kV線路荷載及計算情況，并結(jié)合500kV線路鐵塔斜材布置的經(jīng)驗，通過計算，當斜材與水平面的夾角α控制在 35°～45°之間時，塔重最輕。

3 桿塔塔身隔面優(yōu)化

在桿塔設(shè)計中合理的設(shè)置塔身橫隔面，可有效地增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，傳遞由結(jié)構(gòu)上部外荷產(chǎn)生的扭力，同時能具有一定的均勻塔身構(gòu)件內(nèi)力的作用，降低塔重。一般，對于塔身變坡處，集中荷載受力處等位置必須設(shè)置受力隔面。

隔面的型式通過以往工程的經(jīng)驗積累和不斷優(yōu)化，許多已經(jīng)成為了典型隔面型式（見圖2）。

根據(jù)《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》［2］（DL/T5154-2012）第10章“構(gòu)造要求”規(guī)定，對于塔身坡度不變段內(nèi)，“橫隔面設(shè)置的間距，一般不大于平均寬度（寬面）的5倍，也不宜大于4個主材分段”。根據(jù)以往工程經(jīng)驗和工程的特點，隔面設(shè)置不宜間隔太大，為加強塔身抗扭的能力，宜按照3個主材分段長度設(shè)置一個隔面，以保持結(jié)構(gòu)的外型尺寸不出現(xiàn)鼓突的情況。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，對橫隔面型式的優(yōu)化配置的原則是：對鋼管塔或角鋼塔頭部或塔身截面尺寸較小的部位，主要采用（a）、（b）、（c）及（d）型式，對于塔身截面尺寸較大的部位則主要采用（e）、（f）及（g）型式。

圖2 常見隔面型式圖

4 長短腿配置優(yōu)化

采用長短腿設(shè)計是保護線路環(huán)境的最有效手段。長短腿能適應(yīng)各種復雜的塔位地形，配合高低基礎(chǔ)的使用，不但能大大減少了土石方工程量、縮短工期、降低施工難度，而且也可最大限度地保護自然生態(tài)環(huán)境。

4.1 山地塔長短腿優(yōu)化設(shè)計

500 kV線路直線塔的傳統(tǒng)接腿模式為“過渡段”方式的公用腿式，這種方式的優(yōu)點就是當塔腿主材規(guī)格相同時，接腿可在不同呼稱高上互換，但該方式接身部位傳力路線復雜，隔面較多，塔重較重。塔腿直接與身部相連的非公用腿模式可減輕塔重2%～4%左右，但設(shè)計工作量顯著加大。

圖3 常見塔腿布置方式示意圖

長短腿組合時，增加長短腿級差可以更好的適合山區(qū)陡坡地形，但隨著級差的增大，也增加了長腿與短腿的剛度差，從而導致塔重增加。這是因為長腿和短腿的剛度不同和根開不同造成內(nèi)力分配存在差異，導致鐵塔部分構(gòu)件規(guī)格的變化而引起塔重的變化。通過測算表明，長短腿級差若控制在7.0m左右時（可適應(yīng)30°的地形坡度），塔重增幅為1.0%～2%，長短腿級差按最大限度進行設(shè)計（11.0m級差，可適應(yīng)45°的陡坡地形），塔重增幅達到2%～3%。

4.2 平丘地區(qū)塔腿設(shè)計優(yōu)化

平丘塔減腿較少，最多設(shè)計成4個減腿，即 0.0m、-1.0m、-2.0m、-3.0m，減腿的增加對身部主材、腿部主材及斜材設(shè)計內(nèi)力的增加不顯著（5%左右），不會對其角鋼規(guī)格及鐵塔安全造成影響。

圖4 山地平丘鐵塔塔腿比較示意圖

在基本不影響塔重的情況下，將平丘系列塔型考慮按照最大級差3.0m設(shè)計，再配合高低主柱基礎(chǔ)，已能適應(yīng)平丘地區(qū)地形變化，達到工程不降或少降基面、保護自然生態(tài)環(huán)境的目的。