高压输电线路铁塔结构设计几点分析

1、电网建设高压输电线路铁塔结构设计几点分析傅春蘅(国电华北电力设计院工程有限公司, 北京市, 100011摘要文章就塔身坡度、传力面的设定、关键词输电线路铁塔结构设计分析中图分类号:B-(2003 01-0028-03Analysis Several Design Points of Tower Structure for HV Transmission LineFu Chunheng(SP North China Electric Power Design Engineering Ltd. Com. , Beijing , 100011AbstractThe author has summar

2、ized some experiences , view and issues often ignored in design of tower structures for HV transmission lines in China , including the setting of slope of tower body and force transfer surface , effect of force transfer from member system on the node structures , arrangement of diagonal members on t

3、he tower body and selection of sectional mode , ar 2rangement of member on the transverse layer.K eyw ordstransmission line ;tower structure ; design ; analysis我国超高压输电线路的建设速度很快, 已在各大区形成了主网架。三峡送出工程建设也已过半, 大区联网建设已起步, 首条大区联网迁绥500kV 输电线路已建成。500kV 同塔双回并架塔型已有所使用, 双回220kV 和双回110kV 、双回500kV 和双回220kV 同塔四回路并架

4、塔型也已陆续设计。我国第一条昌房500kV 紧凑型输电线路已投运3年, 500kV 同塔双回并架紧凑型输电线路的塔型研究, 已于去年底通过了真型塔试验, 工程施设即将交付。适时总结铁塔结构设计和真型塔试验经验, 为今后设计出更加安全可靠、经济适用的铁塔, 已成为不可忽视的问题。现结合不同塔型的结构特点, 就以下几个问题进行探讨。1塔头铰结点的设置在输电线路铁塔内力分析时, 均将杆系结点作为铰结点。本节所述塔头铰结点的设置, 是指两铰拱或三铰拱力学模型的选择及构造模式。如:酒杯型塔头K 节点, 从力学模型看是纯铰, 将其处理成结实的刚性节点, 虽不会影响结构的正常工作, 但浪费了不少钢材。又如:

5、有些线路工程, 直线塔开始使用中相V 串、三铰拱塔头。但有的塔在中间铰部位下, 又加设了平连杆。三铰拱在国外输电线路铁塔结构设计中, 已早有应用, 如美国500kV 直线塔、南非400kV 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。建议我国在修订架空送电线路杆塔结构设计技术规定时, 在基本规定一节中应强调指出, 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。2导线横担下平面斜材布置导线横担下平面斜材常见的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, 大多连接到导线横担的主材上。在纵向荷载作用下

6、, 其连接部位的主材或节点板极易变形。为此, 常见设计者在这一部位节点上, 增设了1根短角钢, 以增强这一部位抵抗纵向荷载的能力。虽然这一办法能解决问题, 也没有因此引发事故。为使设计尽可能合理, 满足杆系传力的要求, 只需设计者将横担下收稿日期:2002-08-0482第24卷第1期2003年1月电力建设Electric Power ConstructionVol. 24No. 1Jan , 2003平面交叉斜材杆系布置到导线横担根部时, 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材直接传递到塔身上去, 就可解决主材和节点板弯曲变形问题。3塔腿平连杆的使用80年代中期,

7、我国对塔腿结构加设平连杆问题进行了专题研究和试验分析, 推求出近似的实用公式, 并写入SDG J 9490架空送电线路杆塔结构设计技术规定。此后, 作为1力的措施被推广应用。近年来, , 变化和仅靠, 已不能满足内力分析的需要。并考虑1997年4月在真型塔试验中, 曾因平连杆加工负误差偏大, 出现将塔腿主材拉弯, 不能满足试验荷载要求的情况。故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。建议在新版架空送电线路杆塔结构设计技术规定中指出:当塔腿采用平连杆时, 应作为杆件与塔体同时计算。4派生结构的杆系布置近年来, 由于城网建设的需要, 同塔多回路并架已广泛使用。如某工程真型塔

8、试验时, 曾因110kV 横担受力后引起试验塔倒塔。经专家分析, 一致认为与110kV 横担连接的塔身节间是K 形三分段杆系, 110kV 横担吊杆直接拉在K 形三分段辅助材支撑的主材小节间点上, 塔身主材在110kV 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, 而导致试验失败。只要将原K 形斜材杆系中的塔身主材三分段下端的小节间与110kV 横担连接方式, 改为塔身节间与110kV 横担连接的小节间, 脱离原K 形斜材杆系, 独立自成一个节间, 使杆系传力均由受力材传递, 节与节之间互不干扰, 就可以使结构正常工作。该设计按专家意见修改后, 顺利通过了试验。这个实例证明

9、, 派生结构应认真注意杆系布置的合理性, 才能保证铁塔的正常工作。5曲臂传递纵向荷载的问题自80年代中期以来, 国内设计的500kV 酒杯型直线塔, 大都对塔头部位的上下曲臂采取了外侧面主材取直的作法。这样不仅从外观上看, 塔型显得利落、美观, 而且纵向荷载传力路线直捷, 自是最佳方案。但此时传递纵向荷载的任务, 还是由曲臂内外侧斜材共同担负。这是由于力学模型是理想的模式, 内侧斜材与K 节点实际构造没有做到符合力学模型的要求, 传递它应担负的纵向荷载的任务。因此, 需要设计者自己设定传力面。通常做法是设定外侧面为100%传力面, 内侧斜材从杆系布置、节点构造处理, 使它不再传递纵向荷载。只是

10、设计者要注意的是, 自己一定要把传力路线搞清楚, 且设定, , 恰恰是对, 。因, 且杆系布置、构造处理则是最基本的要求。6塔身斜材的布置塔身斜材布置形式, 一直是设计者关注的课题。笔者认为:制约塔身斜材的基本条件是斜材对外荷载抵抗力矩和计算长度的选择。其中, 斜材对外荷载抵抗力矩的大小, 即斜材和水平面的夹角大小, 将直接影响到该节间主材分段及主材选材。从国内外科研成果以及工程设计实践经验看, 塔身斜材和水平面的夹角取40°50°为宜。当然, 塔身斜材的布置形式, 还和塔身的宽度有关, 近些年笔者看到有的工程新设计的塔身斜材布置, 全是3. 0m 1个节间、6. 0m 1

11、个分段 , 有的塔身斜材和水平面的夹角只有30°左右, 杆系布置几成网状。似是考虑3. 0m 1个梯级接腿的要求, 但未能综合考虑优化杆系布置、充分发挥塔身斜材的承载能力。在塔型选型时, 要分析控制选材的条件, 塔身主材节间分段情况、主材计算长度, 以及不同的接腿配置不同的塔身等多因素, 进行优化组合。另外塔身斜材布置的形式, 外荷载的大小, 几何尺寸大小, 材料截面的性质, 是选择单斜材, 还是双斜材, 还是再分式双斜材, 是选择交叉式斜材, 还是正K 形布置斜材, 或是倒K 形布置斜材, 以及在什么部位选择什么布置形式等, 都要认真比较选择。7大坡度塔身为减少基础作用力, 降低基

12、础材料耗量, 500kV 单回、大负荷塔, 曾使用过不少大坡度塔。随着500kV 同塔双回并架输电线路的建设, 宽身、大坡度塔身的应用将日益增多。近期, 某500kV 同塔双回输电线路工程, 曾因终端塔出现塔身斜材弯曲过大、竣工拒不签收的问题, 后以增设隔面支撑材, 改善塔身斜材工作状态的方式进行了处理。回首国内近一二十年使用的宽身、大坡度塔身塔, 均存在着不同程度的塔身斜材弯92第1期高压输电线路铁塔结构设计几点分析曲问题, 是设计者应当解决也可以解决的问题。近期, 我们在三峡送出工程, 500kV 同塔双回大坡度塔身塔的设计中, 就这一问题和制造厂家进行了分析研究, 探讨了几个解决办法:(

13、1 在塔身主材和节点板之间或节点板和塔身斜材之间采用加斜垫的办法(加工难度较大 ; (2 塔身主材若是单角钢, 可采用设置双排螺栓, 靠主材肢端的螺栓以保证主材轧制边为准, 制弯节点板的办法; (3 若是四角钢组合成十字断面, 可直接采用制弯节点板的办法; 若是双角钢组合十字断面, 2。美好的前景, 、, 做成十字拉条的构造模式, 、构造形式可行, 还有良好的视觉效果。从近期设计的500kV 同塔双回钢管塔, 通过全部试验工况及超载试验来看, 是值得设计者在大负荷塔型选型中参考的。只不过钢管塔的工程造价相对要高些, 故能用角钢塔解决的问题, 还是尽量使用角钢塔。8偏心引出的思考偏心是输电线路铁

14、塔结构中普遍存在的问题。8. 1不同规格主材接头的偏心4050年代, 曾为解决塔身主材间的偏心问题,采用了上下主材搭接接头的形式。80年代中期的84塔, 在解决塔头K 节点板过大、浪费钢材的问题上, 巧用了这种接头形式, 改进了设计, 成为当时乃至今仍可效法的典范。至于塔身主材自上而下有规律、逐递次的增大规格, 段与段的主材偏心问题, 则一般仅在10mm 左右, 由此出现的附加弯矩, 可忽略不计。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。8. 2单包铁接头引起的主材力线的偏心为消除单包铁接头因偏心产生的附加弯矩, 导致邻近辅助性杆件需按相邻主材内力的3%进行选

15、材的弊端, 采用双包铁已得到广大设计人员的普遍认同。由于主材相对于相邻的辅助材而言, 近似于连续梁, 辅助材则相当于支点, 故主材由于单包接头出现附加弯矩, 相邻支点的反力比其他支点的反力就大了1. 5倍, 也就是说辅助材的内力大了1. 5倍。常规辅助性杆件选材按相邻主材内力的2%进行选材, 此时则应按相邻主材内力的3%进行选材。8. 3主材与斜材连接的偏心角钢塔塔身主材与斜材的准线是否交于一点,在80年代中期, 我国在500kV 输电线路单角钢铁塔结构设计中, 进行了研究和应用, 斜材的准线交于主材外皮、交于主材双排准线的外排准线上, 2种塔型的真型塔试验和应用效果均良好。其对杆系传力、力学

16、模型的建立和内力分析等诸方面的影响均甚小, 可忽略不计。, 进行了交24、0-主材钢 , D/4, , 且缩小了节点板的尺寸, 减少了钢材耗量。8. 4横隔面材连接上的偏心对于横隔斜材与横材背对背连接, 在真型塔试验中, 出现横隔面斜材被压曲的现象。可用横隔斜材背向下放置的解决方法, 但往往要通过节点板进行连接, 钢材要多用一些。若将横隔斜材改为十字组合截面, 不仅可以减少偏心, 还可能省了节点板, 甚至还能节省斜材的钢材耗量。9拉线塔拉线塔的最大优点是节省钢材, 节约投资。但近几年由于种种原因, 拉线塔几乎处于不再使用的地位。现仅对500kV 拉线塔略作几点分析。9. 1拉线塔主柱的计算挠度

17、主柱的计算挠度对主柱的选材有很大的影响, 以往计算柱中挠度时, 国内各设计院考虑的影响因素组合也不尽相同。80年代末, 有关专家就曾指出:取自重、风荷载引起的挠度和2L/1000初挠度进行组合, 不用再考虑螺栓滑动变位引起的挠度, 是可以满足要求的。至于立塔后个别主柱出现弯曲, 经北京送变电公司现场试验, 只要地面组塔垫的平 、螺栓紧固到位, 主柱顺直, 立起塔来主柱就是直的。华北地区近十余年来的工程实践也证明了这一点。9. 2拉线塔的铰我国500kV 输电线路拉线塔型, 都是由拉线系统和中心受压柱组成的塔架体系, 横担与主柱、主柱与基础均为铰接。只有拉猫塔的塔头与塔身连成一体, 主柱与基础为

18、铰接, 区别于其他拉线塔型。由于拉线塔在外荷载作用下变位较大, 且铰又是可转动的铰。因此, 处理好铰的构造相当重要。9. 2. 1柱头的铰7080年代, 我国第1批500kV 输电线路的拉线塔, 柱头铰均为单剪穿钉铰。施工中发现有的塔(下转第36页03电力建设第24卷3. 4工程质量优良110kV 宾浦线改造工程, 共完成基础施工54基, 铁塔组立54基, 导、地线展放17km , 地线直线管压接28只, 导地线耐张管压接60只, 紧线施工15个观测档, 附件安装59基, 跳线安装9基, 交叉跨越72处, 接地装置54基, 重锤安装6组。工程项目总计427项, 优良427项, 优良率100%。

19、4完善各项安全管理制度, 确保施工安全4. 1, , 。在检查施工方案和技术措施落实情况时, 首先检查的是安全措施的落实, 使施工安全落到实处。4. 2加强施工安全检查, 消除事故隐患工程项目部每星期都要对各工地、材料仓库和施工现场进行1次安全大检查; 班组每周要进行1次自查, 并坚持班前“二交一查”和每周1次的安全日活动, 以增强职工的自我保护能力。工程项目部都将每次安全检查的情况写出纪要, 向全体施工人员通报。各工程队、班组都将每次安全自检的情况、可能出现的事故隐患和存在的安全问题以及处理情况向项目部汇报, 把事故隐患消灭在发生之前。并在现场悬挂安全警示牌、标语等, 构造浓厚的安全施工、文

20、明生产气氛。总之, 本工程的安全管理是成功的, 、工期三确保kV 宾浦线改造工程的施工, 我们的经验如下:(1 工程管理处处要从早入手, 对施工中的重点、难点问题要有预见性, 要有可靠的解决办法。(2 完善质量管理组织机构, 严格质量管理措施, 确保工程施工质量达优。(3 完善各项安全管理制度, 落实安全责任制, 从组织上、技术上保证工程施工安全。(责任编辑:李连成(上接第30页连接穿钉的节点板焊接变形过大, 穿钉不易紧到位, 呈歪斜状态。后在新拉V 塔设计中。将单剪改为双剪, 实施至今, 状况良好。9. 2. 2柱脚的铰我国500kV 输电线路拉线塔, 柱脚铰大都做成圆锅型铰。为防止主柱滑出锅顶, 有的在基础锅顶加焊一段圆钢, 在主柱锅顶打孔; 有的在基础锅顶、主柱锅顶打孔后, 加拧一个螺栓。2000年8月, 赴南非考察发现, 南非近期建成的400kV 输电线路拉线塔柱脚铰, 已改为平底柱脚、坐在微有凸起的圆形垫铁上, 柱脚底与圆形垫铁中心设有圆孔, 基础