高压输电线路铁塔结构设计几个问题简述

1、高压输电线路铁塔结构设计琐谈高压输电线路铁塔结构设计琐谈 华北电力设计院华北电力设计院 傅春蘅傅春蘅 系列讲座系列讲座3 1） 塔头铰结点的设置塔头铰结点的设置 输电线路铁塔内力分析时，均将杆系结点作为铰结点。本处塔头铰结点设输电线路铁塔内力分析时，均将杆系结点作为铰结点。本处塔头铰结点设 置，指的是两铰拱或三铰拱力学模型的选择及构造模式。如：酒杯塔塔头置，指的是两铰拱或三铰拱力学模型的选择及构造模式。如：酒杯塔塔头K 节点，从力学模型看应是纯铰，但设计者往往忽略了它的特点，从节点构节点，从力学模型看应是纯铰，但设计者往往忽略了它的特点，从节点构 造上将造上将K节点处理成很结实的刚性节点。这样

2、处理的结果，虽不会影响结构节点处理成很结实的刚性节点。这样处理的结果，虽不会影响结构 正常工作，但浪费了不少钢材。从八十年代中期，设计者普遍采用了过渡正常工作，但浪费了不少钢材。从八十年代中期，设计者普遍采用了过渡 角钢式的构造形式，不仅接近了原力学模式，也节省了钢材。当然，输电角钢式的构造形式，不仅接近了原力学模式，也节省了钢材。当然，输电 线路铁塔塔架本身，相对于塔架结构的局部，它是在弹性范围内，以微小线路铁塔塔架本身，相对于塔架结构的局部，它是在弹性范围内，以微小 变形状态工作的钢结构，尚无必要将变形状态工作的钢结构，尚无必要将K节点处理成纯铰。节点处理成纯铰。 又如：近几年来，国内有些

3、输电线路工程直线塔使用三铰拱塔头。但有的又如：近几年来，国内有些输电线路工程直线塔使用三铰拱塔头。但有的 塔在中间铰的部位下，又加设了平连杆。不知是假定为三铰拱近行的内力塔在中间铰的部位下，又加设了平连杆。不知是假定为三铰拱近行的内力 分析，还是将加设的平连杆列入了计算杆系分析，还是将加设的平连杆列入了计算杆系,这是需要设计者慎重考虑的问这是需要设计者慎重考虑的问 题。至于三铰拱在输电线路铁塔结构设计中，国外也早已有应用，如美国题。至于三铰拱在输电线路铁塔结构设计中，国外也早已有应用，如美国 的的500kV输电线路直线塔、南非的输电线路直线塔、南非的400kV输电线路直线塔，都大范围使用了输电

4、线路直线塔，都大范围使用了 三铰拱塔头，且中间铰部位下均未加设平连杆。再者三铰拱的中间铰部位三铰拱塔头，且中间铰部位下均未加设平连杆。再者三铰拱的中间铰部位 下再加设平连杆，已经从力学模型上变成两铰拱，只不过中横担中部刚度下再加设平连杆，已经从力学模型上变成两铰拱，只不过中横担中部刚度 弱些罢了。故我国在修订弱些罢了。故我国在修订架空送电线路杆塔结构设计技术规定架空送电线路杆塔结构设计技术规定时，在时，在 基本规定一节中特别强调指出，杆塔结构加工图必须与内力计算图保持一基本规定一节中特别强调指出，杆塔结构加工图必须与内力计算图保持一 致。不得轻易改动结构布置，或添加未经计算和可能影响受力的杆件

5、。致。不得轻易改动结构布置，或添加未经计算和可能影响受力的杆件。 2） 杆系布置杆系布置 杆系布置的合理性，既与节点构造有关，也与杆件本身的功能有关，杆系布置的合理性，既与节点构造有关，也与杆件本身的功能有关， 本节则从以下几个方面做一初步分析。本节则从以下几个方面做一初步分析。 2.1）导线横担下平面斜材布置）导线横担下平面斜材布置 导线横担下平面斜材常见布置形式为交叉斜材（双斜材）式，且交叉斜材布置到导线横担下平面斜材常见布置形式为交叉斜材（双斜材）式，且交叉斜材布置到 导线横担根部时，大多是斜材连接到导线横担的主材上。在纵向荷载作用下，就会导线横担根部时，大多是斜材连接到导线横担的主材上

6、。在纵向荷载作用下，就会 将连接部位的主材或节点板推变形，八十年代初期，笔者在某一真型塔试验完，铁将连接部位的主材或节点板推变形，八十年代初期，笔者在某一真型塔试验完，铁 塔放倒后，专门检查这一部位，果然如上述分析的结果，节点板弯曲变形严重。故塔放倒后，专门检查这一部位，果然如上述分析的结果，节点板弯曲变形严重。故 类似结构，常见设计者在这一部位的节点上，又增设一短角钢，以增强在纵向荷载类似结构，常见设计者在这一部位的节点上，又增设一短角钢，以增强在纵向荷载 作用下这一部位的抵抗能力。虽这一办法并没有彻底解决问题，可还是被设计人员作用下这一部位的抵抗能力。虽这一办法并没有彻底解决问题，可还是被

7、设计人员 普遍地采用。普遍地采用。 但是改进杆系布置，使设计有可能做的合理，则是每一个设计者的责任。但是改进杆系布置，使设计有可能做的合理，则是每一个设计者的责任。 其实这是一个力学模型合理，但节点构造不易处理，满足不了杆系传力的要其实这是一个力学模型合理，但节点构造不易处理，满足不了杆系传力的要 求，从而出现的矛盾。求，从而出现的矛盾。 只要设计者将横担下平面交叉斜材杆系，布置到导线横担根部时，将其与塔只要设计者将横担下平面交叉斜材杆系，布置到导线横担根部时，将其与塔 身横隔面侧面横材的中点相连接，使导线纵向荷载，通过塔身横隔的横材，直接传身横隔面侧面横材的中点相连接，使导线纵向荷载，通过塔

8、身横隔的横材，直接传 递到塔身上去。递到塔身上去。 如：某一猫头真型塔试验完，设计者已打道回府。我正好赶上看放倒后的铁如：某一猫头真型塔试验完，设计者已打道回府。我正好赶上看放倒后的铁 塔，我曾着重地检查塔头这一部位构造杆系布置，竟与横担下平面斜材杆系布置这塔，我曾着重地检查塔头这一部位构造杆系布置，竟与横担下平面斜材杆系布置这 一问题相同，纵向力直接作用到节点板上，节点板弯曲、变形严重。可见，力学模一问题相同，纵向力直接作用到节点板上，节点板弯曲、变形严重。可见，力学模 型合理，节点构造也要合理，满足杆系传力的要求，才能使结构正常工作。型合理，节点构造也要合理，满足杆系传力的要求，才能使结构

9、正常工作。 近来国网组织审查典设塔的结构图，竟发现上下段之间节点板都无联系，尤近来国网组织审查典设塔的结构图，竟发现上下段之间节点板都无联系，尤 其要引起我们的注意！其要引起我们的注意！ 2.2）塔塔腿腿平连杆的使用平连杆的使用 八十年代中期，我国对塔腿结构加设八十年代中期，我国对塔腿结构加设平连杆的问题平连杆的问题进行了科研专题研究和试验分进行了科研专题研究和试验分 析，推求出近似的实用公式，并写入析，推求出近似的实用公式，并写入 SDGJ94SDGJ94- -9090架空送电线路杆塔结构设计技术规架空送电线路杆塔结构设计技术规 定 。定 。此后，做为一个增强塔此后，做为一个增强塔腿结构承载

10、能力的措施被推广应用。腿结构承载能力的措施被推广应用。 近些年来，在设计和真型塔试验中，均对近些年来，在设计和真型塔试验中，均对平连杆的使用有一些有别于以往的考虑。平连杆的使用有一些有别于以往的考虑。 从从设计上说，已经看到了塔腿结构加设设计上说，已经看到了塔腿结构加设平连杆后，力平连杆后，力学模型从静定到超静定的变化。学模型从静定到超静定的变化。 以及仅靠八十年代中期推求出的近似实用公式，已不能满足内力分析的需要，应引起以及仅靠八十年代中期推求出的近似实用公式，已不能满足内力分析的需要，应引起 足够的重视，故在编的新版架空送电线路杆塔结构设计技术足够的重视，故在编的新版架空送电线路杆塔结构设

11、计技术规定中，特别指出塔规定中，特别指出塔 腿采用腿采用平连杆时，应作为杆件，与塔体同时计算。从平连杆时，应作为杆件，与塔体同时计算。从真型塔试验中，也曾有过因真型塔试验中，也曾有过因平连平连 杆加工负误差偏大，将杆加工负误差偏大，将塔腿主材拉弯，以至于不能满足试验荷载要求的情况出现。塔腿主材拉弯，以至于不能满足试验荷载要求的情况出现。 1992年年9月，电力部科技司组织月，电力部科技司组织日本特高压送电学术报告会日本特高压送电学术报告会，东京电力公司送，东京电力公司送 电部本部部长山岸启利先生介绍了日本特高压送电的科研以及工程建设情况。当时电部本部部长山岸启利先生介绍了日本特高压送电的科研以

12、及工程建设情况。当时 ，山岸启利先生已从事了四十年的输电线路建设工作。介绍中在谈到日本特高压铁，山岸启利先生已从事了四十年的输电线路建设工作。介绍中在谈到日本特高压铁 塔研究课题中，对塔腿加设平连杆的问题也进行了专题研究和试验分析，从塔研究课题中，对塔腿加设平连杆的问题也进行了专题研究和试验分析，从No.2PA 塔的塔腿采用平连杆的实验分析研究中证实，连接点周边杆件相应应力增加，加大塔的塔腿采用平连杆的实验分析研究中证实，连接点周边杆件相应应力增加，加大 了钢材的耗量，与初衷相违。山岸启利先生也认为，虽然平连杆很早就有，但没什了钢材的耗量，与初衷相违。山岸启利先生也认为，虽然平连杆很早就有，但

13、没什 么用处。么用处。 可见，平连杆的使用直接影响到杆系的布置，甚至影响到相邻杆的工作状态。若杆可见，平连杆的使用直接影响到杆系的布置，甚至影响到相邻杆的工作状态。若杆 件设置再与力学模型不符，内力分析不对，件设置再与力学模型不符，内力分析不对， 则与其加强塔腿结构的初衷更是相违则与其加强塔腿结构的初衷更是相违 。 2.3）派生派生结构的结构的杆系布置杆系布置 近些年来近些年来, ,由于城网的需要，由于城网的需要，220kV220kV、110kV110kV 四回路同塔并架也已使用。某工程四回路同塔并架也已使用。某工程 真型塔试验时， 曾因真型塔试验时， 曾因 110kV110kV 横担受力后引

14、起试验塔倒塔。 设计者自查结果未被认可，横担受力后引起试验塔倒塔。 设计者自查结果未被认可， 经组织专家进行分析， 一致认为与经组织专家进行分析， 一致认为与 110kV110kV 横担连接的塔身节间横担连接的塔身节间杆系布置不当，塔身杆系布置不当，塔身 主材在主材在 110kV110kV 横担的拉拽下，位移过大，横担的拉拽下，位移过大，塔身主材不能在原设计条件下正常工作。塔身主材不能在原设计条件下正常工作。 应将原应将原 K 形斜材杆系形斜材杆系塔身主材三分段下端小节间与塔身主材三分段下端小节间与 110kV110kV 横担连接方式，改为塔横担连接方式，改为塔 身节间与身节间与 110kV1

15、10kV 横担连接的小节间，脱离横担连接的小节间，脱离原原 K 形斜材杆系，形斜材杆系，独立自成一个节间。独立自成一个节间。 更改后，顺利通过试验。更改后，顺利通过试验。 这个这个实例证明，不是铁塔的任何部位都可以实例证明，不是铁塔的任何部位都可以随意派生出什么随意派生出什么结构来，应认真注结构来，应认真注 意到意到杆系布置的合理性，以保证杆系布置的合理性，以保证铁塔的铁塔的正常工作。正常工作。 这次分析会上，华东院的专家提供了一份同济大学邓洪州教授发表的塔腿（尤其是长腿）这次分析会上，华东院的专家提供了一份同济大学邓洪州教授发表的塔腿（尤其是长腿） 因刚度变化及其所引起的变形对构件有关影响的

16、分析。使会议总算认可了这是一个不可忽略的因因刚度变化及其所引起的变形对构件有关影响的分析。使会议总算认可了这是一个不可忽略的因 素。这是前几年广东院在大塔的设计中，曾委托同济大学邓洪州教授进行过长腿因刚度变化及其素。这是前几年广东院在大塔的设计中，曾委托同济大学邓洪州教授进行过长腿因刚度变化及其 所引起的变形对构件有关影响的分析（该项研究从理论上进行了初步的分析，确认变形会使塔腿所引起的变形对构件有关影响的分析（该项研究从理论上进行了初步的分析，确认变形会使塔腿 承载能力有所降低），可能因信息交流不畅，我手头也没有这份资料，我的分析只不过恰与这项承载能力有所降低），可能因信息交流不畅，我手头也

17、没有这份资料，我的分析只不过恰与这项 分析从道理上相近。分析从道理上相近。 其实，这个问题已不是目前我们使用的计算软件所能解决的问题，而是塔腿在外荷载作其实，这个问题已不是目前我们使用的计算软件所能解决的问题，而是塔腿在外荷载作 用下因刚度问题所引起塔腿变形过大，导致塔腿斜材及其辅助材支撑作用减弱使塔腿主材实际工用下因刚度问题所引起塔腿变形过大，导致塔腿斜材及其辅助材支撑作用减弱使塔腿主材实际工 作的计算长度发生改变，引起塔腿主材破坏。作的计算长度发生改变，引起塔腿主材破坏。 这个问题由于没能引起我们专业的科研单位和设计院的关注。在近几年的铁塔试验中，这个问题由于没能引起我们专业的科研单位和设

18、计院的关注。在近几年的铁塔试验中， 已知因此原因而导致试验未通过的实例已有几起，在几次有关这个问题的原因分析中，未能找到已知因此原因而导致试验未通过的实例已有几起，在几次有关这个问题的原因分析中，未能找到 引发问题的关键点。当然大多数设计院的设计人员使用计算软件算出什麽结果，就采用出什麽结引发问题的关键点。当然大多数设计院的设计人员使用计算软件算出什麽结果，就采用出什麽结 果也无可非议。但真型塔试验所揭示的这个问题至今也还存在。目前在典设中，大家已采取多种果也无可非议。但真型塔试验所揭示的这个问题至今也还存在。目前在典设中，大家已采取多种 措施尽可能的规避发生此种问题。措施尽可能的规避发生此种

19、问题。 3 3）大坡度塔身大坡度塔身 为减少基础作用力，降低基础材料耗量，为减少基础作用力，降低基础材料耗量，500kV 单回单回输电线路大负荷塔型，输电线路大负荷塔型， 曾使用过不少大坡度塔身塔。曾使用过不少大坡度塔身塔。随着随着 500kV 双回同塔并架双回同塔并架输电线路建设的发展，输电线路建设的发展， 宽身、大坡度塔身的应用也日见增多。宽身、大坡度塔身，是大负荷塔型选型宽身、大坡度塔身的应用也日见增多。宽身、大坡度塔身，是大负荷塔型选型 常用的方法。确实这个方法减少了基础作用力，降低了基础材料耗量。但宽身、常用的方法。确实这个方法减少了基础作用力，降低了基础材料耗量。但宽身、 大坡度塔

20、身使得大坡度塔身使得塔身斜材塔身斜材的长度也有了很大的增加，由此设计时也应将可能出的长度也有了很大的增加，由此设计时也应将可能出 现的各种问题考虑周到。现的各种问题考虑周到。 4）偏心引出的思考）偏心引出的思考 偏心是输电线路铁塔结构中普遍存在的问题。只不过设计者应认真处理杆与杆偏心是输电线路铁塔结构中普遍存在的问题。只不过设计者应认真处理杆与杆 之间、杆系之间、各结合部的构造偏心等问题。之间、杆系之间、各结合部的构造偏心等问题。 四、五十年代四、五十年代 设计实践中，曾为解决塔身主材之间的偏心问题，设计实践中，曾为解决塔身主材之间的偏心问题， 采取了上、下采取了上、下 主材主材 搭接接头形式

21、，虽近二、三十年鲜有使用，但在解决塔头搭接接头形式，虽近二、三十年鲜有使用，但在解决塔头 K 节点，节点板过大节点，节点板过大 、浪费钢材的问题上，、浪费钢材的问题上， 则巧用了这种接头形式的优势，改近了设计。至于整塔自上则巧用了这种接头形式的优势，改近了设计。至于整塔自上 而下，象塔身主材有规律、逐梯次的增大规格，段与段的主材偏心问题，则一般仅而下，象塔身主材有规律、逐梯次的增大规格，段与段的主材偏心问题，则一般仅 在在10mm左右，由此出现的附加弯矩，则忽略不计。若塔身上段主材由单角钢接下段左右，由此出现的附加弯矩，则忽略不计。若塔身上段主材由单角钢接下段 主材双角钢，则段与段的主材重心线应衔接在一起。主材双角钢，则段与段的主材