姚元璽，張麗娟

（山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013）

0 引言

魯固特高壓直流工程黃河跨越段長(zhǎng)3.702 km，跨越方式為“耐張塔—直線(xiàn)塔—直線(xiàn)塔—直線(xiàn)塔—耐張塔”，最大檔距1 356 m，大跨越塔高度為122 m，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為33 m／s，導(dǎo)線(xiàn)覆冰厚度取15 mm，地線(xiàn)設(shè)計(jì)冰厚取20 mm?？绾佣螌?dǎo)線(xiàn)選用特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線(xiàn)JLHA1／G4A-900／240［1-3］。大跨越桿塔負(fù)荷較一般鐵塔負(fù)荷增加，桿塔外形尺寸較大，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和手段在跨越塔設(shè)計(jì)中存在一定的局限性，因此應(yīng)從新的角度和高度認(rèn)識(shí)大跨越桿塔受力的復(fù)雜性。

從桿塔塔型、塔材選擇、結(jié)構(gòu)布置、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、設(shè)計(jì)計(jì)算、附屬設(shè)施等方面對(duì)大跨越桿塔進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保障跨越塔安全可靠運(yùn)行，對(duì)該工程的實(shí)施以及降低投資具有非常重要的意義。

1 塔頭布置

大跨越塔塔頭型式優(yōu)化一般執(zhí)行以下原則：滿(mǎn)足電氣間隙要求；塔頭布置緊湊，傳力路徑簡(jiǎn)潔明晰。導(dǎo)線(xiàn)掛線(xiàn)方式采用“I 串”，針對(duì)該種掛線(xiàn)方式，選擇4 種塔頭型式做比較，如表1 所示。

第1 種塔頭方案外形較為美觀，布置合理緊湊，結(jié)構(gòu)傳力直接，塔重指標(biāo)最優(yōu)，近幾年多條特高壓直流輸電工程大跨越桿塔均采用了此種結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)豐富，為直線(xiàn)跨越塔塔頭布置的推薦方案。

2 構(gòu)件斷面型式選擇及材質(zhì)選擇

2.1 斷面型式選擇

目前國(guó)內(nèi)常用的大跨越塔斷面型式主要有鋼管塔、組合斷面角鋼塔和鋼筋混凝土塔3 種型式。這3種塔型各具特色，均有工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。3 種塔型的優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表2。

表1 不同塔頭型式比較

表2 3 種塔型的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于鋼筋混凝土塔，從國(guó)內(nèi)已建的大跨越鋼筋混凝土跨越塔來(lái)看，均曾不同程度地出現(xiàn)過(guò)裂縫、露筋、混凝土剝落等現(xiàn)象，影響塔的耐久性；另一方面由于鋼筋混凝土塔自重較大，基礎(chǔ)工程量增加較多，從而增加了本體工程的造價(jià)。從施工方面來(lái)看，鋼筋混凝土塔筒體的澆筑須在基礎(chǔ)施工完成后才能進(jìn)行，導(dǎo)致施工周期加長(zhǎng)。考慮到以上不利因素，不采用鋼筋混凝土塔。

鋼管塔由于良好的截面特性和簡(jiǎn)潔美觀的結(jié)構(gòu)型式，已在大跨越鐵塔設(shè)計(jì)中占有越來(lái)越重要的位置。從加工制造上看，目前國(guó)內(nèi)許多加工廠都具備了軋制大尺寸圓形與多邊形鋼管的能力；從施工安裝方面來(lái)看，鋼管塔構(gòu)件數(shù)量與組合斷面角鋼塔相比，約可減少60%以上，這將給鐵塔運(yùn)輸和吊裝中桿件的核對(duì)、堆料、組裝等帶來(lái)諸多方便，可以縮短安裝周期［4］。

在經(jīng)濟(jì)性方面，對(duì)大跨越直線(xiàn)塔按鋼管塔與角鋼塔進(jìn)行計(jì)算比較，如采用角鋼塔，則大跨越直線(xiàn)塔塔身主材需采用四組合格構(gòu)柱型式，增加大量的綴板和螺栓，結(jié)構(gòu)構(gòu)造極其復(fù)雜。選用鋼管塔，桿件數(shù)量少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造明顯比角鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且單基塔重比組合斷面角鋼型式輕20%左右。同時(shí)由于塔身風(fēng)荷載較小，鋼管塔的基礎(chǔ)作用力較角鋼塔明顯降低，因此基礎(chǔ)材料耗量也相對(duì)較低。綜合考慮鋼管與角鋼的價(jià)格差異，鋼管塔較角鋼塔綜合造價(jià)降低5%左右。

綜合以上技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等方面的分析、比較，直線(xiàn)跨越塔推薦采用鋼管塔。

2.2 材質(zhì)選擇

采用高強(qiáng)度鋼管能有效提高截面承載能力，在相同荷載作用下，可有效降低鋼管截面尺寸，對(duì)大跨越直線(xiàn)塔而言，塔身風(fēng)荷載所占比重較大，由于擋風(fēng)面積減小而降低的塔身風(fēng)荷載將進(jìn)一步減小鐵塔主材內(nèi)力，因此通過(guò)采用高強(qiáng)度鋼管材料，可得到更優(yōu)的塔材指標(biāo)。

對(duì)大跨越直線(xiàn)塔采用Q460、Q420 高強(qiáng)度鋼材和Q345 鋼材進(jìn)行比較，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同材質(zhì)經(jīng)濟(jì)性比較

由表3 可看出，主材采用Q420 材質(zhì)與Q345 材質(zhì)相比，節(jié)省塔重約7%，節(jié)約造價(jià)約4%，經(jīng)濟(jì)性明顯；Q460 塔與Q420 塔相比，節(jié)省塔重約3%，節(jié)約造價(jià)約1%，經(jīng)濟(jì)性差異不大。

目前，輸電線(xiàn)路行業(yè)在Q420、Q460 高強(qiáng)鋼管塔的設(shè)計(jì)、加工上已具備了一定的經(jīng)驗(yàn)。但Q460 鋼管塔在輸電線(xiàn)路上的應(yīng)用尚在起步階段，其可焊性差，對(duì)焊接工藝、焊接人員技術(shù)資質(zhì)要求較高，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中也并沒(méi)有明確規(guī)定。相比之下，Q420 鋼已列入我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)等相對(duì)明確，質(zhì)量水平相對(duì)穩(wěn)定，加工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)成熟，在國(guó)內(nèi)特高壓交流輸電線(xiàn)路中已進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用。同時(shí)考慮到Q460 鋼管相對(duì)Q420鋼管在經(jīng)濟(jì)性方面并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，因此跨越直線(xiàn)塔推薦采用Q420B 高強(qiáng)度鋼管塔。

3 跨越塔動(dòng)力特性及風(fēng)振系數(shù)計(jì)算

3.1 風(fēng)振系數(shù)理論計(jì)算

跨越塔呼高139 m，全塔高度143 m，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算值影響最大，而風(fēng)荷載包括平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，脈動(dòng)風(fēng)產(chǎn)起的風(fēng)振響應(yīng)通過(guò)風(fēng)振系數(shù)來(lái)體現(xiàn)［5］?；陔S機(jī)振動(dòng)理論，高度h 處的風(fēng)振系數(shù)βz（h）為：

式中：Pdl（h）為塔身段振型風(fēng)振力；Ps（h）為靜風(fēng)荷載；μs（h）為桿塔體型系數(shù)；μz（h）為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為桿塔所在地區(qū)的基本風(fēng)壓；A（h）為高度h 處桿塔迎風(fēng)面的面積［6］。

Pdl（h）按照隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)桿塔風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步推算大跨越桿塔的風(fēng)振系數(shù)。

3.2 大跨越塔振型計(jì)算及風(fēng)振系數(shù)取值

采用有限元法建立主材梁?jiǎn)卧?、斜材桿單元的混合單元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，考慮鐵塔前三階振型，分別為垂直線(xiàn)路方向的一階平動(dòng)模態(tài)、順線(xiàn)路方向的一階平動(dòng)模態(tài)以及扭轉(zhuǎn)振型，頻率依次為1.020 Hz、1.011 Hz、2.08 Hz，根據(jù)文獻(xiàn)［4］規(guī)定，對(duì)于塔架結(jié)構(gòu)，可僅考慮結(jié)構(gòu)第1 階振型影響。黃河跨越段直線(xiàn)塔的第1 階振型系數(shù)如圖1 所示（H 為桿塔總高度）。

圖1 振型系數(shù)（第1 階振型）

跨越塔風(fēng)振系數(shù)如表4 所示，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)，可得加權(quán)βz為1.785，桿塔風(fēng)振系數(shù)并非隨著高度線(xiàn)性增加，在橫擔(dān)位置數(shù)值發(fā)生突增，原因是全塔質(zhì)量分布不均勻，尤其是大跨越塔橫擔(dān)長(zhǎng)度長(zhǎng)，集中質(zhì)量大。因此，跨越塔設(shè)計(jì)時(shí)需注意通過(guò)合理布置塔身結(jié)構(gòu)使桿塔質(zhì)量上下分布盡可能均勻。

表4 大跨越塔風(fēng)振系數(shù)

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 法蘭設(shè)計(jì)

以往鋼管塔結(jié)構(gòu)中，法蘭連接節(jié)點(diǎn)往往采用剛性法蘭、柔性法蘭和鍛造法蘭［7］，這3 種法蘭的優(yōu)缺點(diǎn)為：剛性法蘭剛度大、強(qiáng)度高，但是焊接工作量較多，影響其加工效率；柔性法蘭無(wú)加勁板，可大幅減少焊接量，但是其剛度相對(duì)較小，螺栓受到法蘭端部的翹力作用，整體受力性能較差，應(yīng)用并不廣泛；鍛造法蘭加工周期短、焊接工作量小，但螺栓同樣受到翹力作用，目前在工程中已有使用；柔性法蘭由于整體受力性能不佳、螺栓受力及規(guī)格較大，不適合大跨越桿塔使用。對(duì)于剛性法蘭和鍛造法蘭，有必要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，以便優(yōu)選法蘭形式。

針對(duì)剛性法蘭和鍛造法蘭，采用Q420 材質(zhì)鋼管、Q420 法蘭及8.8 級(jí)螺栓進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見(jiàn)表5。從表5 中數(shù)據(jù)可知，剛性法蘭的綜合造價(jià)約為鍛造法蘭的70%～80%，剛性法蘭的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于鍛造法蘭。另外，對(duì)于大跨越桿塔，鍛造法蘭厚度較厚，加工難度大，目前國(guó)內(nèi)對(duì)Q420 鍛造法蘭的鍛造工藝還不成熟，成品質(zhì)量較難保證。因此建議大跨越塔采用剛性法蘭。

表5 剛性法蘭與鍛造法蘭對(duì)比

4.2 螺栓設(shè)計(jì)

8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓目前已在輸電線(xiàn)路工程中廣泛使用，其使用規(guī)格一般在M24—M56 之間，質(zhì)量穩(wěn)定。10.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓雖然在線(xiàn)路上應(yīng)用不多，但已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且在其他鋼結(jié)構(gòu)中已有應(yīng)用，但10.9級(jí)螺栓強(qiáng)度較高，其脆性也相應(yīng)增大，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，鍍鋅后質(zhì)量更不穩(wěn)定，且在輸電線(xiàn)路中使用經(jīng)驗(yàn)不足。

采用8.8 級(jí)螺栓，質(zhì)量上有較為可靠的保證，且在線(xiàn)路工程中有較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于10.9 級(jí)螺栓，設(shè)計(jì)上雖然已經(jīng)具備條件，但是如何保證其加工質(zhì)量及成品的合格率，是制約工程質(zhì)量的重要因素。因此大跨越塔推薦采用8.8 級(jí)螺栓。

5 施工及檢修設(shè)施

5.1 登塔設(shè)施

為方便檢修維護(hù)人員登塔作業(yè)，跨越直線(xiàn)塔一般設(shè)置多種登塔措施，包含動(dòng)力提升裝備、爬梯以及腳釘?shù)?。各種登塔裝置的特點(diǎn)見(jiàn)表6。

表6 登塔設(shè)施比較

表7 動(dòng)力載人提升裝置造價(jià)對(duì)比 萬(wàn)元

綜合比較，攀爬機(jī)加斜爬梯具有安全簡(jiǎn)易、攀爬舒適、材料耗量小、設(shè)備價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，推薦為跨越塔的主要攀爬方式。

攀爬機(jī)主要有2 種型式：一種為利用鋪設(shè)于塔面上的導(dǎo)軌，通過(guò)齒輪齒條連接傳動(dòng)，將吊籠提升至塔頂；一種為在塔中心專(zhuān)門(mén)設(shè)置攀爬機(jī)桁架井筒，導(dǎo)軌敷設(shè)在井筒上，垂直上下移動(dòng)。設(shè)置于塔面上的攀爬機(jī)導(dǎo)軌構(gòu)造簡(jiǎn)單，只需在塔面橫隔處預(yù)留導(dǎo)軌掛孔，較中心井架方式，節(jié)省鋼材，造價(jià)較低，為推薦方式。

斜爬梯采用沿塔面斜材盤(pán)旋而上的方式，登塔較為輕松，運(yùn)行維護(hù)方便。當(dāng)爬梯在塔身正面隔面處遇到攀爬機(jī)時(shí)，爬梯進(jìn)入塔身內(nèi)部，沿隔面布置，繞過(guò)塔面攀爬機(jī)后再上升至斜材處，沿斜材繼續(xù)爬升。

5.2 施工及檢修設(shè)施

為減輕施工、運(yùn)檢人員的工作強(qiáng)度，保障人身安全，大跨越塔考慮設(shè)置附屬設(shè)施。

1）塔身分段處、斜爬梯轉(zhuǎn)向處均設(shè)置休息平臺(tái)，并與攀爬機(jī)小平臺(tái)相連，方便人員上下。

2）走道寬度0.65 m，護(hù)欄高度1.2 m。走道與休息平臺(tái)連接，能夠到達(dá)導(dǎo)、地線(xiàn)掛線(xiàn)位置以及其他需要設(shè)備維護(hù)處。

3）塔身所有橫隔面四周、導(dǎo)地線(xiàn)橫擔(dān)兩側(cè)均在1.2 m 高度處加設(shè)水平拉索，提高操作人員橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的安全感。

4）主材鋼管接頭法蘭以下1.0 m 處安裝用于懸掛施工人員操作站位平臺(tái)，法蘭下部0.3 m 左右設(shè)置安全帶掛鉤，加強(qiáng)施工人員安全度，保證分段組塔時(shí)大直徑法蘭的順利連接。

5）超過(guò)3 m 長(zhǎng)的鋼管構(gòu)件最少有一側(cè)設(shè)置雙向腳釘，便于運(yùn)檢人員安全順利到達(dá)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

大跨越桿塔選用導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)復(fù)合一體橫擔(dān)布置的燕翅型結(jié)構(gòu)，外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，受力簡(jiǎn)潔；大跨越桿塔塔身推薦采用鋼管結(jié)構(gòu)，構(gòu)件材質(zhì)可采用Q420 高強(qiáng)鋼；采用隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算了大跨越塔分段風(fēng)振系數(shù)，其在橫擔(dān)位置數(shù)值突變；大跨越桿塔采用剛性法蘭連接，螺栓采用8.8 級(jí)；登塔設(shè)施采用攀爬機(jī)加斜爬梯方式，并在塔身適當(dāng)位置和橫擔(dān)處設(shè)置休息平臺(tái)和走道，以方便檢修維護(hù)人員登塔作業(yè)。