架空输电线路自立式模块化临时杆塔优化设计研究

夏冬生

北京电力经济技术研究院，北京 100055

0 引言

随着社会经济的高速发展，架空输电线路越来越难以满足市容市貌的规划要求。电力部门经常需要配合市政建设，公路、铁路建设，进行输电线路的迁移改造工程。常规迁移改造方法是拆除旧塔，然后顺线路方向前后移动一小段距离，或者在横向线路方向偏移一段距离，找到新的塔位，重新树立一座与原来一样的输电铁塔，以避开新建道路或其他工程建设[1]。在类似的架空输电线路迁改的倒电方案和停电方案设计中，新建的杆塔是临时设备，待线路建设完成后，一般需拆除。而且，由于每条线塔设计条件不一样，拆除的临时杆塔很难有机会再利用，造成极大的资源浪费[2]。

文章研究出了一种能够实现模块化组装的临时杆塔，这种模块化临时杆塔能够根据电压等级及高度需要进行模块化的自由组装，同一套模块化临时杆塔可满足不同呼高的输电线路迁移改造的需求。这一临时杆塔具有模块化组装、自由拆卸、重复利用、通用性强、无须再生产加工、随用随组装的特点，拆卸后不会报废，在线路建设完后再回库，以备下次利用，避免塔材浪费。

1 塔型规划

临时杆塔设计条件：设计基本风速为29 m/s（离地10 mm），覆冰厚度为10 mm，导线为JL/G1A-400/35（安全系数为2.5），地线为JLB20-100（安全系数为3.0），水平档距为450 m，垂直档距为700 m，转角度数为0～30°[3]。

导线排列方式：根据不同挂线方式采用耐张串垂直排列、悬垂串垂直排列、耐张串水平排列三种形式。塔头布置时需要兼顾临时塔，根据临时塔的挂线方式选取合适的塔头布置方式。

2 杆塔结构优化

杆塔结构是一种对传统杆塔结构的优化。大型铁塔钢耗大，结构优化的意义更大。设计人员应该在满足电气要求的前提下，在保证杆塔结构强度与刚度的同时，降低大型铁塔杆塔造价。杆塔结构的优化设计需要遵循如下原则：根据电气参数确定基本塔型；从材料的角度选用钢管、高强钢等；为了减小线路走廊宽度，考虑紧凑型的塔型布置，针对不同塔型优化设计坡度、节间等[4]。

2.1 杆塔工况计算

设计荷载工况组合时，考虑大风工况、覆冰工况、不均匀冰工况和安装工况，不考虑断线工况。其中，直线塔有26 个工况，耐张塔按照导线排列方式不同有72 个工况，临时塔共有170 个计算工况[4]。

2.2 杆塔优化

2.2.1 塔头优化

临时杆塔应能够实现模块化组装，具有通用性强的特点，容易安装、可自由拆卸。为了方便制图、加工及组装，临时塔各层横担做成尺寸相同的标准模块，如图1 所示；变坡以上塔身中柱分为4 段，其中3 段也做成尺寸相同的标准模块，如图2 所示。

图1 横担标准模块

图2 塔身中柱标准模块

2.2.2 塔身坡度优化

铁塔塔身的坡度是影响整塔重量的最重要的因素之一，它直接影响主材和斜材的长度及规格[5]。铁塔下开口（即铁塔根开）对整塔重量和基础的经济指标起着较大的控制作用。根据对实际工程中铁塔的统计，塔高与根开的比值一般在4～7；单回路直线塔塔身坡度一般为7%～14%；单回路转角塔塔身坡度一般为9%～16%；双回路直线塔塔身坡度一般为9%～14%[6]。塔身根开增大，可使主材受力降低，材料规格减小，塔身斜材受力也变小。基础作用力随根开增大而减小，可使基础造价降低。但斜材与辅助材几何尺寸增大，材料构造布置也变得复杂，又使塔重相应增加。因此在确定最终方案时，应综合考虑塔重及全线塔总重、基础造价等因素，对塔身坡度和根开进行方案比较[7]。

设计人员在进行铁塔结构布置和内力分析的时候，应根据电气荷载条件、气象条件和铁塔形式，找出合适的坡度和根开，使塔重指标达到最小，并综合考虑铁塔单基指标、基础工程量、占地面积、植被等，力求达到最佳的综合经济效益[8]。

临时塔上段为直塔身，设计人员首先应确定塔身中柱的宽度，即塔顶开口尺寸。以钢管塔为例，根据不同的开口值，计算得到临时塔（36 m 呼高）的塔重（kg），如表1 所示。可以看出，当塔顶开口尺寸为1 300 mm 时，临时塔塔重最轻，基础作用力相对适中。

表1 临时杆塔LZJ1 顶部开口的优化结果

2.2.3 根开优化

在确定顶部开口后，对临时塔的腰部宽度和根开进行优化设计，优化结果如表2 所示。可以看出，当塔身坡度为0.093，即根开为7.6 m 时，铁塔计算重量最优，为18 197 kg。随着根开的继续加大，塔重指标反而升高，这是由于根开继续加大时，斜材长度增加，导致重量增加量超过了主材内力减小而引起的塔重减小量。因此，选取的临时塔根开为7.6 m。

表2 临时杆塔LZJ1 下段塔身坡度及腿部根开的优化结果

2.2.4 塔身斜材优化

考虑安装、运输方便，同时减低塔重，临时塔变坡以下塔身交叉斜材采用拉杆结构，如图3 所示。拉杆如图虚线所示。

图3 临时塔塔身斜材拉杆布置图

2.2.5 塔身隔面优化

横隔面设置须满足《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154—2012）中对铁塔的构造要求：在铁塔塔身变坡处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿顶部断面处必须设置横隔面。在塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度的5 倍，也不宜大于4 个主材分段。

合理设置横隔面可加强铁塔整体刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、减小塔重、均衡塔身构件内力具有明显的作用。横隔面的布置应注意以下两点：

（1）在满足规范要求的前提下，尽量少布置横隔面，减轻塔重。

（2）横隔面一定要作为受力单元参与结构计算。

临时塔由于变坡以下塔身交叉斜材采用拉杆结构，铁塔整体刚度减小，而横隔面设置对铁塔刚度影响较明显，因此增加横隔面可以提高临时塔抗风、冰能力。临时杆塔宜适当增加横隔面，横隔面设置间距不宜过大。同时，考虑横隔面交叉斜材也采用拉杆结构，为提高塔身刚度，在塔身斜材拉杆布置范围内每个节间设置一个隔面，以保持结构的外型尺寸不出现鼓突的情况，如图4 所示。拉杆如图虚线所示。

图4 临时塔塔身横隔面拉杆布置图

3 结束语

文章设计了一种新型临时杆塔，塔头布置兼顾耐张串垂直排列、悬垂串垂直排列、耐张串水平排列三种形式，可作为直线塔或耐张塔单独使用。建立了临时拉索塔的分析模型，变坡以下塔身交叉斜材和隔面交叉斜材采用拉杆结构，只承受拉力、不承受压力。并根据自立临时杆塔模块化组装和可拆卸的设计原则，分别从塔头、塔身坡度、根开、塔身断面、塔身斜材等方面对临时杆塔的杆塔结构进行了优化。