窄基塔高度根开比优化的研究

聂磊

国网江西上饶供电分公司饶电设计院 江西上饶 334000

1 窄基塔概述

窄基塔根开优化是启发式优化方法中的一种常用的优化方法,它亦属于形状优化的范畴。根开的优化是在简要力学的基础上,从分析塔身坡度与各约束条件的关系入手,寻求最小根开的方法。窄基塔属于大型的空间桁架结构,近年来在电力输送方面得到了广泛的应用。在理论分析的基础上,结合工程的实际情况,国家颁布了《架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T5154-2002)》要保证结构的可靠性,设计过程中必须严格按照规范的要求,满足强度、挠度稳定性等约束条件。图1所示的是一座同塔四回直线输电塔。

图1 塔体简图

2 窄基塔优化方法

2.1 工程概况

选择江西省某220kV输电线路中窄基直线塔型进行优化。塔体按同塔四回路塔型设计，如图1所示，塔头形式采用干字型，塔身用钢管作为塔体主材，斜材及辅材采用等边角钢，设计气象条件为江西。选用的导线为（JL/GIA-630/45）钢芯铝绞线，安全系数k=2.5，地线选用钢绞线JLB30-150，安全系数k=3。塔体的荷载按照《110kV-750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）的要求进行计算，并按规范进行工况组合。塔体高71.4m，根开为6.04m，高度根开比为11.82。

2.2 窄基塔优化和静定化假设

满应力准则指出：结构在多工况作用下，各杆件中的应力达到饱满时结构的重量最轻。在超静定结构中，内力与构件截面有着密切的关系,若截面仍按内力根据应力饱满的原则修改,则单元面积的改变将会导致结构的内力原来达到的饱满状态的部分也超限,由于截面的取值已经确定,所以可以假定此时的内力如静定结构中内力一样不发生变化,再按照满应力准则修改截面,将修改的截面作为新的参数重新计算内力,这样循环着迭代下去,直到截面收敛于最优值为止[1]。满应力准则优化设计流程见图2。

2.3 优化方法

送电铁塔设计软件中通常应用的是满应力准则法，较少考虑多工况、多约束情况，主要对截面尺寸进行优化，更高层次的形状优化尚处于探索阶段。目前,有采用引进广义变量近似的方法对送电铁塔形状优化，方法可行，但实际运用比较困难。本文研究的窄基塔优化是基于满应力准则，从合理确定塔腿坡度对铁塔进行整体优化，塔头部分不作变化。塔体在强度和稳定上通常有较大富裕，优化以挠度为主要控制条件，建立强度控制的简化计算公式，辅助以强度验算，方法相对简单，具有较好可操作性。

图2 满应力准则优化设计流程图

（1）挠度控制。塔体的挠度计算运用ANSYS有限元软件来实现。ANSYS有限元模型的建立采用命令流方式，将塔体根开设为一变量d，对根开赋值，为不同根开的塔体建模提供了方便；塔体主材为钢管，选用pipe16单元；斜材及辅材为角钢，按截面面积和回转半径相等的原则对其转换后，再采用pipe16单元建模。根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》：对直线型自立式铁塔，在荷载的长期效应组合作用下，杆塔的计算挠曲度不应超过3h/1000，其中，h为自地面起至计算点处高度。

（2）强度控制。输电塔塔身受力主要受风荷载与导地线施工或断线时产生的横向荷载控制，输电塔的两侧弦杆轴力以及腹杆与根开的乘积构成力偶用于抵抗这些横向荷载形成的弯矩。计算单元简图如图3所示。

图3 计算单元简图

通过平面几何关系可得：

将h1带入可得主材应力与坡度的关系式为：

强度约束条件为：σ≥f

（3）窄基塔优化。优化设计程序框图如图4所示。

图4 优化设计程序框图

3 结语

以满应力准则，以窄基塔挠度为主要控制条件，辅助以强度验算，从合理确定塔腿坡度为入手，建立了塔窄基塔高度根开比优化方法。结合武汉市木兰变-王家墩变220kV输电线路工程进行了优化和经济性分析，结果表明，优化方法相对简单，具有较好的可操作性。通过合理控制塔窄基塔高度根开比，对窄基塔塔身进行优化，钢材用量虽略有增加，但用地减少效果明显。综合分析表明，所提出优化方法安全可行，具有良好的经济效益和推广应用价值。