系列讲座2-高压输电线路铁塔结构设计

杆塔型式及分类架空输电线路使用的铁塔，按使用功能可分为直线塔、转角塔、终端塔及换位、分歧等特种塔。——直线塔是将导线提离地面的塔，又可分为自立塔和拉线塔两种基本型式。自立塔常用的有酒杯型、猫头型、鼓型、干字型等，拉线塔过去常用的则有拉八、拉V、拉门、拉猫型塔。——转角塔是付与导线以张力的塔，大部是干字型、鼓型塔。——终端塔——换位、分歧等特种塔。直线塔(酒杯型塔)北京8回500kV输电线路进顺义变直线塔(猫头型塔)直线塔(鼓型塔)直线塔(干字型塔)直线塔(门型塔)直线塔(门型塔)直线塔(拉V型塔)直线塔(紧凑型塔)转角塔终端塔塔型设计的步骤：——确认或选择气象条件，导、地线牌号；——依据给出的塔型规划或根据电压等级及路径条件规划塔型；——绝缘配合；——绘制电气间隙圆、提出负荷条件；——根据电气间隙圆规划设计塔头；——根据塔型规划完成整塔选型单线图（包含各种呼称高）；——进行负荷组合；——按铁塔计算软件要求输入计算塔型的所有参数；——依据塔型计算结果绘制司令图；——依据司令图完成结构图。

输电线路铁塔结构内力计算分析完全基于经典力学，即《理论力学》、《结构力学》、《材料力学》三门力学的基础上来进行的。因此，输电线路铁塔结构，被看成由理想的铰接杆件组成的空间塔架结构。1输电线路铁塔结构计算常用的力学概念知识

1）理论力学——静力学公理

1、二力平衡公理：作用在刚体上的二力使刚体平衡的充要条件是：大小相等、方向相反、作用在一条直线上

2、加减平衡力系公理：在作用于刚体的已知力系中加上或减去任何平衡力系，并不改变原力系对刚体的效应。

3、力的平行四边形法则：作用于物体上某一点的两力，可以合成为一个合力，合力亦作用于该点上，合力的大小和方向可由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线确定。

4、作用力与反作用力定律：两物体间的相互作用力总是大小相等、方向相反，沿同一直线，分别作用在两个物体上。

静力学是从公元前三世纪开始发展，到公元16世纪伽利略奠定动力学基础为止。人们在使用简单的工具和机械的基础上，逐渐总结出力学的概念和公理。例如，从滑轮和杠杆得出力矩的概念；从斜面得出力的平行四边形法则等。

阿基米德是使静力学成为一门真正科学的奠基者。在他的关于平面图形的平衡和重心的著作中，创立了杠杆理论，并且奠定了静力学的主要原理。阿基米德得出的杠杆平衡条件是：若杠杆两臂的长度同其上的物体的重量成反比，则此二物体必处于平衡状态。阿基米德是第一个使用严密推理来求出平行四边形、三角形和梯形物体的重心位置的人。

著名的意大利艺术家、物理学家和工程师达·芬奇是文艺复兴时期首先跳出中世纪烦琐科学的人，他认为实验和运用数学解决力学问题有巨大意义。他应用力矩法解释了滑轮的工作原理；应用虚位移原理的概念来分析起重机构中的滑轮和杠杆系统。

对物体在斜面上的力学问题的研究，最有功绩的是斯蒂文，他得出并论证了力的平行四边形法则。静力学一直到伐里农提出了著名的伐里农定理后才完备起来。他和潘索多边形原理是图解静力学的基础。

分析静力学是意大利数学家、力学家J．L．拉格朗日提出来的，他在大型著作《分析力学》中，根据虚位移原理，用严格的分析方法叙述了整个力学理论。虚位移原理早在1717年已由伯努利指出，而应用这个原理解决力学问题的方法的进一步发展和对它的数学研究却是拉格朗日的功绩。

我国古代科学家对静力学有着重大的贡献．春秋战国时期伟大的哲学家墨子（墨翟）在他的代表作《墨经》中，对杠杆、轮轴和斜面作了分析，并明确指出“衡……长重者下，短轻者上”，提出了杠杆的平衡原理。

静力学的基本物理量有三个：力、力偶、力矩。

静力学的基本物理量有三个：力、力偶、力矩。力的概念是静力学的基本概念之一。经验证明，力对已知物体的作用效果决定于：力的大小(即力的强度)；力的方向；力的作用点。通常称它们为力的三要素。力的三要素可以用一个有向的线段即矢量表示。凡大小相等方向相反且作用线不在一直线上的两个力称为力偶，它是一个自由矢量，其大小为力乘以二力作用线间的距离，即力臂。静力学只研究最简单的运动状态——平衡。静力学的全部内容是以几条公理为基础推理出来的。这些公理是人类在长期的生产实践中积累起来的关于力的知识的总结，它反映了作用在刚体上的力的最简单最基本的属性，这些公理的正确性是可以通过实验来验证的。静力学的研究方法有两种：一种是几何的方法，称为几何静力学或称初等静力学；另一种是分析方法，称为分析静力学。几何静力学可以用解析法，即通过平衡条件式用代数的方法求解未知约束反作用力；也可以用图解法，即以力的多边形原理，用几何作图的方法来研究静力学问题。2）结构力学截面法节点法

3）材料力学轴心受力构件压杆轴向压力/(稳定系数×面积)≦强度设计值拉杆轴向拉力/净面积≦强度设计值塔架的计算塔架特点：由直杆用铰链联接而成，在结点荷载作用下，各杆只有轴力。

1）结点法取结点为分离体――平面汇交力系

求解方法：（1）求解支座反力，零杆判断；因几何组成的不同而不一定是必须的，零杆判定后，可以大大简化求解。（2）再选取只含二个未知力的结点。顺次取二个未知力的结点分离体可求解每个杆的内力。（3）结点分离体中，未知轴力设为拉力（正），结果为负时表示与所设方向相反。已知力一般按实际方向画，标注其数值的绝对值，则平衡方程建立时看图确定其正负。零杆的判断：三角构造内的辅助性杆件都是零杆。（如图所示）2）截面法用截面切断拟求构件，取交叉斜材的交叉点为力矩中心，所有外力对这个中心取矩建立平衡方程中只有一对大小相同方向相反的未知力。例：试计算塔身如图所示主材内力。解：先计算支座反力。求出反力后，从包含二杆的结点开始，逐次截取各结点求出各杆的内力。分离体为平面汇交力系。一般用投影二个方程可求解3）灵活运用（1）结点法、截面法可以联合使用；（2）零杆判断应充分利用，可以简化计算。（3）利用对称性；2杆塔荷载按性质分永久荷载：杆塔自重、导地线、金具、绝缘子自重及其它固定设备的重力。可变荷载：风荷载、覆冰荷载、电线张力、施工及检修的临时荷载。特殊荷载：断线所引起的荷载、地震所引起的荷载。按作用方向分可将它们分解成作用于杆塔上的横向荷载：风荷载、角度荷载。纵向荷载：风荷载、张力荷载。垂直荷载：重力荷载。结构或构件的承载力极限状态设计表达式：

γ。(γG·CG·GK+ψ·∑γQi·CQi·QiK)≤R式中：γ。----结构重要性系数

γG----永久荷载分项系数（对结构受力有利取1.0

不利取1.2)CG----永久荷载的荷载效应系数

GK----永久荷载标准值

ψ----可变荷载组合系数(正常运行情况取1.0220断线及各级电压的安装取0.9

各级电压的验算和110断线取0.75）

γQi----可变荷载分项系数取1.4CQi----可变荷载的荷载效应系数

QiK----可变荷载标准值

R----结构构件的抗力设计值其中：CG、CQi荷载效应系数，在GBJ9-87《建筑结构荷载规范》荷载效应组合的设计值公式中注①中的解释：荷载效应系数为结构或构件中的效应（如内力、应力等）与产生该效应荷载的比值。

内力

CG·GK即--------·荷载

荷载

故：1992年全国钢结构标委会和钢规标准管理组主持编写的GBJ17-88《钢结构设计规范》全国学习研讨班系统讲义,将设计表达式表述为：

nγ。(γG·SGk+γQ1·SQ1k+∑ψγQi·SQik)≤Rk/γRi=2

永久荷载项中CG·Gk即效应系数·标准值用SGk永久荷载效应值（即内力

）表示

可变荷载项中CQi·Qik即效应系数·标准值用SQik可变荷载效应值（即内力

）表示

荷载效应值即结构构件的内力

即用SGk、SQik表示内力另：设计表达式

S荷载效应(内力)设计值的总合≤R结构构件抗力设计值式中:右侧项Rk/γR表示为结构抗力标准值Rk除以抗力分项系数γR即为抗力设计值RGBJ17-88《钢结构设计规范》讲义并指出：从二阶矩设计法表达式，转化为实用设计表达式的过程中，主要的是从二阶矩法等效地确定出各分项系数和组合值系数。这些系数起着相当于β值的作用。GBJ68-84《建筑结构设计统一标准》规定了各项系数的取值。目前规定的全套分项系数是经过优化找出的最佳匹配取值，使按实用设计表达式设计的各种结构构件的实际β与规定的β在总体上误差最小。在荷载分项系数统一规定条件下，对钢结构构件抗力分项系数进行分析，使所设计的钢结构构件的实际β值与规定的β值差值最小。经过调整，γR统一取：3号钢、16Mn、16Mnq钢，γR=1.087GB50017—2003在条文说明中改为Q235取γR=1.087,Q345取γR=1.111

钢结构设计取钢材屈服强度作为强度极限。（GBJ17-88）规范规定，抗拉、压、弯强度设计值分别为（fk/γR）

其中

fk：为强度设计标准值（GBJ17-88表示为fy）

γR：为抗力分项系数

如下所示

钢号fk（即fy）标准值f设计值

Q235≤1623521517-4022520541-60215200

Q345≤1634531017-3532529536-50295265

因而从<GBJ17-88>、<DL/T5092-1999>以及架空送电线路杆塔结构设计技术规定（送审稿），无一例外地都直接列出钢材强度设计值，无须设计者再重复此项计算。传统上采用应力形式表达和计算，可将

nγ。(γG·SGk+γQ1·SQ1k+∑ψγQi·SQik)≤Rk/γR

进行改写

i=2

式中右边的抗力标准值Rk=ak·fk

这里的ak为截面几何参数标准值

fk为材料强度标准值则有：Rk/γR=ak·fk/γR因为：抗拉、压、弯强度设计值为fk/γR=f则：Rk/γR=ak·fGBJ17-88《钢结构设计规范》讲义指出，这样就可用传统上的应力形式表达和计算，故可写出：

n

σ=[γ。(γG·SGk+γQ1·SQ1k+∑ψγQi·SQik)]/ak≤fi=2

因此

DL/T5092-1999γ。(γG·CG·GK+ψ·∑γQi·CQi·QiK)≤R表达式写入《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》时由γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤Rγ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤Rk/γR可写成表达式：

γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤ak·f直观的表达为应力形式表达式：σ=[γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)]/ak≤f

今天GB50504-2010《110kV~750kV架空输电线路设计规范》11.2.就直接将结构或构件的承载力极限状态写成:γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤R

不再重复传统的表达方式.

故γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤Rk/γR

写成表达式：

γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤ak·f我们常用的直观的表达：σ=[γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)]/ak≤f

塔型选型的必要条件:1电压等级2回路数3导、地线牌号4导线排列方式5基本呼称高及其规划使用的塔高6电气间隙圆7地线保护角8电气负荷其中电气间隙圆的确定在于以下条件：雷电过电压（风速10m/s）操作过电压（1/2最大设计风速）工频电压（最大设计风速）这里有一个绝缘配合设计的基本概念问题

1杆塔上的绝缘配合设计：就是按正常运行电压（工频电压）、内过电压（操作过电压）、及外过电压（雷电过电压）确定绝缘子型式及片数以及在相应的风速条件下导线对杆塔的空气间隙距离。

2档距中央导线及地线间的绝缘配合设计：就是按外过电压（雷电过电压）确定档距中央导线及地线间的空气间隙距离。

3档距中央导线对地及对各被跨越物的绝缘配合设计：就是根据内过电压（操作过电压）及外过电压（雷电过电压）的要求，确定导线对地及对各跨越物的最小允许间隙距离。对超高压线路，除按此项要求考虑对地最小允许间隙距离外，尚应满足地面静电场强影响所需对地最小允许间隙距离的要求。

4档距中央不同相导线间的绝缘配合设计：即按正常运行电压（工频电压）并计及导线振荡的情况，确定不同相导线间的最小距离。其中1、2、4影响着塔头尺寸的确定，3则控制着铁塔标准呼称高的选择。

绝缘子串长度的确定：I串V串

绝缘子串风压的计算：W1=W0·µZ·As式中：W1—绝缘子串风压

W0—基准风压标准值，

W0

=V2/1600kN/m2µZ—风压高度变化系数:As—绝缘子串风压面积单盘盘径254mm每片取0.02m2

大盘径及双盘径0.03m2

金具另件单导线缝每串取0.03m2

两分裂导线每串取0.04m23~4分裂导线每串取0.05m2

双联可取单联的1.5~2.0倍

导线风压的计算：WX=α·W0·µZ·µsc·βc·d·LP·B·sin2θ式中：WX—垂直于线条的风压

α—风压不均匀系数（见下表）

W0—基准风压标准值，

W0

=V2/1600kN/m2µZ—风压高度变化系数:µsc—导地线体型系数:线径小于17mm，取1.2

线径等于或大于17mm，取1.1

βc—算500、750取的风荷载调整系数（见下表），330及以下取1.0

验算杆塔电气间隙α

随水平档距变化取风速V（m/s）≤2020≤V≤2727≤V≤31.5≥31.5α计算杆塔荷载用1.00.850.750.70塔头选型算风偏角用1.00.750.610.61βc算500、750杆塔荷载1.01.101.201.30跳线α宜取1.0LH≤200250300350400450500≥550α0.800.740.700.670.650.630.620.61

d

—导、地线直径mLP

—水平档距mB—覆冰时风荷载增大系数5mm冰时取1.110mm冰时取1.2sin2θ

—风向夹角(90°)垂直荷载的计算

1)计算风偏角时按KV值，即用LV/LH

之比：平地一般取0.75

丘陵及低山取0.65~0.75

山地及大山取0.55~0.652)算铁塔结构强度则是取设计规划的水平档距和垂直档距

悬垂串摇摆角的计算：

0.5P1+PLHΦ=tg-1(-----------------)

0.5G1+W1LV式中:Φ----风偏角P1----串风压NP----相应条件下导线风荷载N/mLH----水平档距G1----串自重W1----导线自重

LV----垂直档距

例如：500kV同塔4回路两种导线排列及悬挂方式塔型选型结果

杆塔风荷载的标准值，应按下式计算：WS=WO·Z·S·Z·B·AS式中WS——杆塔风荷载标准值(kN)；S、AS——分别为构件的体型系数和承受风压的投影面积计算值，m2，体型系数S按现行国家规范《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）确定；z——杆塔风荷载调整系数。对杆塔本身，当杆塔全高不超过60m时，应按照下表对全高采用一个系数；当杆塔全高超过60m时，应按现行国家规范《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）采用由下到上逐段增大的数值，但其加权平均值对自立式铁塔不应小于1.6，对单柱拉线杆塔不应小于1.8。对基础，当杆塔全高不超过60m时，应取1.0，60m及以上时宜采用由下到上逐段增大的数值，但其加权平均值对自立式铁塔不应小于1.3。杆塔风荷载调整系数z(用于杆塔本身)杆塔全高H（m）2030405060z单柱拉线杆塔1.01.41.61.71.8z其他杆塔1.01.251.351.51.6注：1中间值按插入法计算。

2对自立式铁塔，表中数值适用于高度与根开之比为4－6。

再复习一遍《杆塔荷载》按性质分永久荷载：杆塔自重、导地线、金具、绝缘子自重及其它固定设备的重力。可变荷载：风荷载、覆冰荷载、电线张力、施工及检修的临时荷载。特殊荷载：断线所引起的荷载、地震所引起的荷载。按作用方向分可将它们分解成作用于杆塔上的横向荷载：风荷载、角度荷载。纵向荷载：风荷载、张力荷载。垂直荷载：重力荷载。

负荷组合（工况组合）正常情况(直线塔计算90°、0°、60°、45°大风、覆冰)

（转角塔还应计算与角度力相反方向90°风吹）（终端和转角还要计算最低气温）断线情况（事故、张力差）安装情况（导线安装、地线安装）张力放线条件下直线塔要考虑锚线，锚线对地角一般不大于20°验算情况（位于基本地震烈度九度以上地区的各类杆塔应进行抗震验算，风荷载取最大设计值的30%，无冰、未断线。）材料

杆塔用钢材一般采用Q235B、Q345B，需要时可采用Q420B。杆塔结构的基本规定

1铁塔挠度（5m/s、年平均气温）直线自立铁塔3h/1000

转角及终端自立铁塔7h/10002钢结构构件允许最大的长细比受压主材L0/r≤150

受压材K

·

L0/r≤200

辅助材K

·

L0/r≤250

受拉材

L0/r≤400

式中：K——构件长细比修正系数，按规定附录D确定；

L0——构件计算长度；

r——回转半径。

构件计算（轴心受力）——强度

N/An

≤m

·fN

——轴心拉力或轴心压力，N；An——构件净截面积，mm2，多排螺栓要考虑锯齿形截面破坏；m——构件强度折减系数；受拉构件：双肢连接的角钢和中心连接钢管构件m=1.0

偏心连接钢管构件m=0.85

单肢连接的角钢构件(肢宽﹥40mm)m=0.70

双肢连接的角钢构件(肢宽≤

40mm)m=0.55

受压构件：双肢连接的角钢和中心连接钢管构件m=1.0

单肢连接的角钢和偏心连接钢管构件m=0.85

组合断面构件(无偏心)m=1.0

组合断面构件(有偏心)m=0.85f——钢材的强度设计值,N/mm2。

构件计算（轴心受力）——稳定

N/（Φ·A）≤

mn

·fN

——轴心压力，N；Φ

——受压构件稳定系数，按计算长细比Kλ=L0/r，查Φ表。式中：K是λ（长细比）的修正系数（见附录D）

A

——构件毛截面面积，mm2；mn

——压杆稳定强度折减系数；f——