轻中冰区悬垂塔塔身交叉斜材的布置夹角研究

马海云,何松洋,向 越,刘翔云,韩大刚

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

随着输电线路事业的迅速发展，线路的重要性等级不断增加。输电铁塔结构作为输电线路中的重要组成部分，是大型生命线工程和电力输送的核心支撑，在输电线路建设成本中占据了较大的比重，对其结构布置和构造措施的研究显得极其重要。铁塔设计水平的高低直接影响线路运行的安全，铁塔设计中结构布置是否合理、铁塔选材是否经济，不但关系到整个工程建设的造价指标，同时也关系着工程建设的可靠性、美观性和安全性。

在输电铁塔结构优化方面，部分学者通过建立混合力学模型对输电铁塔强度和稳定性进行了分析，给出了加固处理的构造措施[1]，也对铁塔相关杆件形式、截面材料、根开大小进行了优化[2]。针对节点构造、杆系传力、塔身分段高度的选择等铁塔设计的重点问题，相关学者对输电铁塔的结构设计给出了建议[3-4]。并且，其他学者通过考虑优化算法对输电塔的形状、尺寸、选材进一步优化，在保证结构安全的基础上来减少铁塔质量[5-7]。合理的铁塔布置不仅具有较好的安全可靠性，同时其造价也比较经济，能够达到安全与造价的最优情况，是结构设计追求的目标。

本文以单回酒杯悬垂塔和双回鼓形悬垂塔为研究对象，通过数值模拟研究了不同的塔身坡度及交叉斜材角度对铁塔质量和基础作用力的影响，从力学原理上对相关结论进行了分析，以得到铁塔的最优塔身坡度和最优交叉斜材角度。

1 数值模型

选取单回路酒杯悬垂塔和双回鼓形悬垂塔进行数值模拟分析。采用梁杆组合模型进行数值模拟，其中杆单元采用Link8，梁单元采用Beam188，考虑材料非线性和几何非线性，数值模型如图1所示。

规划的塔身坡度和典型控制工况如表1所示，悬垂塔和耐张塔分别选取了7种坡度，选取轻中冰区的典型控制工况(大风和不均匀冰工况)进行加载。

表1 规划的塔身坡度

2 对铁塔质量的影响

2.1 单回酒杯悬垂塔

在进行铁塔质量对比时，计算质量考虑板钉系数。

计算不同的塔身坡度和交叉斜材角度时，铁塔的受力材、辅助材及总质量如图2～图4所示。

由图2～图4可知：

1)最优受力材质量随着塔身坡度的增加先减小后增加。

2)辅助材质量随着坡度的增加持续增加。

3)整体上，总质量随着塔身坡度的增加先减小然后增加，最优的坡度在0.1附近。

4)不同坡度对应了不同的最优交叉材角度，如图中各线段最低点所示，最优交叉材角度大约为32.5°～42.5°。

当铁塔口宽及交叉斜材角度一定时，塔身坡度越小，铁塔斜材、辅助材及隔面杆材就越短，受力也越小，质量将会减轻。但铁塔主材内力将加大，主材规格就随之增大。另外，主材质量占铁塔总质量的比例大约为65%～75%，主材的大小对塔重的影响最大，因此，坡度持续减小过程中塔重最终会明显增加。

反之，塔身坡度越大，根开就越大，塔身主材内力就越小，主材规格就相应减小，但此时，铁塔斜材、辅助材、隔面杆材的长度会增加，内力随之而增大，对应规格将会急剧增加，且斜材、隔面杆材会受长细比控制，因此坡度持续增大过程中塔重最终也会明显增加。因此，随着塔身坡度的逐渐增大，受力材质量先减小后增加，辅助材质量持续增加，总质量先减小后增加。

2.2 双回鼓形悬垂塔

计算不同塔身交叉材角度及塔身坡度时，铁塔的受力材、辅助材及总质量如图5～图7所示。

由图5～图7可知：

1)与单回酒杯悬垂塔不同，除了交叉材角度为42.5°且坡度为0.09时，双回鼓形悬垂塔受力材质量突然增加外，受力材质量整体随着塔身坡度的增加而持续增加。

2)辅助材质量随着坡度的增加持续增加。

3)除了交叉斜材角度为42.5°且坡度为0.09时总质量突然增加外，总质量整体随着塔身坡度的增加而持续增加。

3 对铁塔基础作用力的影响

3.1 单回酒杯悬垂塔

计算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度时铁塔的基础作用力如图8，图9所示。

由图8，图9可知：

1)同一塔身坡度时，不同交叉斜材角度对应的基础作用力基本相当，最大差距仅为2.05%。

2)同一交叉斜材角度时，基础下压力和基础上拔力随塔身坡度的变化规律保持一致，即塔身坡度越大，基础作用力就越小。

因此，对于征地没有特别限制的地区，可以加大塔身坡度，降低基础造价，进而降低线路工程总造价。

3.2 双回鼓形悬垂塔

计算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度时铁塔的基础作用力如图10，图11所示。

由图10，图11可知：

1)同一塔身坡度时，不同交叉斜材角度对应的基础作用力基本相当，最大差距仅为3.6%。

2)同一交叉斜材角度时，基础下压力和基础上拔力随塔身坡度的变化规律保持一致，即塔身坡度越大，基础作用力就越小，与3.1结论一致。

4 结论

本文主要选取了轻中冰区单回酒杯悬垂塔和双回鼓形悬垂塔等典型铁塔作为研究对象，通过数值模拟研究了不同的塔身坡度和交叉斜材角度对铁塔质量和基础作用力的影响，研究结论如下：

1)单回酒杯悬垂塔的受力材质量及总质量随着塔身坡度的增加先减小后增加，最优坡度分别约为0.1及0.12；而双回鼓形悬垂塔的受力材质量及总质量随着塔身坡度的增加而持续增加。不同坡度对应了不同的最优交叉材角度，最优交叉材角度大约为32.5°～42.5°。

2)单回酒杯悬垂塔和双回鼓形悬垂塔的辅助材质量随着塔身坡度的增加均持续增加。

3)同一塔身坡度时，不同交叉斜材角度对应的基础作用力基本相当；而同一交叉材角度时，塔身坡度越大，基础下压力和基础上拔力越小。