肖 勤， 曾二賢

(中南電力設(shè)計院， 湖北 武漢 430071)

普通自立式鐵塔的高度與根開之比(簡稱“高寬比”H/B)為4～6，城市供電常見窄基塔的H/B可達到10或更高[1～3]。對于特高壓輸電線路工程，采用窄基塔難于滿足大荷載的要求，因此，筆者提出“特高壓小根開鐵塔”的概念，即在普通自立式鐵塔的基礎(chǔ)上縮小根開，使其高寬比H/B介于普通塔和窄基塔之間，以滿足山區(qū)局部地形陡峭的立塔需要[4～7]。特高壓小根開鐵塔具有如下優(yōu)勢：(1)解決陡峭、狹窄山脊立塔困難的問題，避免改線而造成較大的費用變更；(2)減小征地、土石開挖方量，實現(xiàn)環(huán)保設(shè)計。

本文通過建立小根開直線塔ZBC2910Z的數(shù)值模型，對高寬比H/B進行優(yōu)化分析，以尋找其合理的塔身坡度，并分析了鐵塔優(yōu)化布置后的受力特征，其中重點關(guān)注小根開鐵塔變形和撓度的變化情況。其次，采用ANSYS軟件建立三維數(shù)值模型，研究了其典型呼高的動力響應(yīng)特征。最后，通過技術(shù)和經(jīng)濟比較論述了小根開鐵塔運用于特高壓工程的可行性。

1 桿塔優(yōu)化設(shè)計

1.1 設(shè)計輸入條件

選取某特高壓交流工程的典型直線塔作為小根開鐵塔ZBC2910Z的輸入條件，設(shè)計原則借鑒淮南-上海、浙北-福州特高壓交流線路工程。設(shè)計條件為：風速29 m/s，覆冰10 mm，海拔H<1000 m，導(dǎo)線8xLGJ-630/45，地線JLB20A-185，地線對外側(cè)導(dǎo)線的保護角不大于-4°，長短腿設(shè)計。水平檔距600 m，垂直檔距800 m，計算呼高72 m[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

本節(jié)優(yōu)化研究也是基于滿應(yīng)力準則[8]，從合理確定塔腿坡度對鐵塔進行整體優(yōu)化，塔體在強度和穩(wěn)定上作為主要控制條件，輔助以撓度、變形驗算。其方法相對簡單，具有較好的可操作性。

圖1 塔身坡度與估算塔重的關(guān)系曲線

從圖1可以看出，ZBC2910Z常規(guī)設(shè)計的經(jīng)濟坡度約為0.12～0.13，小根開鐵塔ZBC2910Z的推薦坡度可取為0.07～0.08，其中角鋼塔估重系數(shù)為1.55。如表1為不同坡度對應(yīng)情況下呼高為72 m的小根開鐵塔的計算結(jié)果分析表。

表1 ZBC2910Z-72計算分析

從表1可知，小根開鐵塔根開可由常規(guī)設(shè)計的17.44 m縮減為13.76 m，減小約22%，對地形的適應(yīng)性有較大提升。

1.3 擾度和變形驗算

懸垂直線自立式桿塔的撓度限值不應(yīng)超過3H/1000[9]，如表2給出了各根開鐵塔在最不利荷載工況組合下的塔頂撓度。其中撓度計算對應(yīng)工況為長期荷載效應(yīng)組合(無冰、風速5 m/s及年平均氣溫)情況，不包括基礎(chǔ)傾斜。

由表2可知，坡度為0.08時，塔頂撓度為72.28 mm，撓度較常規(guī)設(shè)計增大約5.5%，能滿足要求，對應(yīng)高寬比為5.78；坡度為0.07時，撓度增大約 20.4%，此時高寬比為6.20，已突破了普通自立式鐵塔高寬比為4～6的范圍[9,10]。

表2 ZBC2910Z-72塔頂撓度計算

注：鐵塔全高H為79.55 m，撓度限值為239 mm。

表3給出了在基本風速為29m/s時的設(shè)計荷載作用下關(guān)鍵位置的位移情況。

表3 ZBC2910Z-72在設(shè)計荷載作用下最大位移值

由表3可知，與普通直線塔相比，當坡度設(shè)計為0.07時，塔頂水平Y(jié)向位移增大約14.3%?？梢?，小根開鐵塔與普通塔相比，其抗彎和抗扭剛度削弱較厲害，導(dǎo)致的變形增大是需重點關(guān)注的環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)校驗其在各種設(shè)計工況作用下的變形特征[1,11]。

2 動力特性研究

小根開鐵塔具有柔度大、阻尼小等特點，是一種風敏感結(jié)構(gòu)，風與結(jié)構(gòu)的相互作用十分復(fù)雜。而我國規(guī)范對其抗風設(shè)計的相關(guān)參數(shù)尚不完善，這對設(shè)計提出了新的要求[10～16]。文獻[11]給出了鐵塔全高不超過60 m的調(diào)整系數(shù)取值。當全高超過60 m時，βz(風壓調(diào)整系數(shù))可按文獻[15]取值。

該小根開直線塔全高79.55 m，塔身斷面形狀為正方形，角鋼塔，單線圖如圖2所示。

圖2 小根開直線塔ZBC2910Z單線圖

定義沿橫擔方向為x向(橫風向)，垂直橫擔方向為y向(順風向)，高度方向為z向。

采用ANSYS軟件對小根開鐵塔ZBC2910Z進行建模，鋼材彈性模量取2.06×1011N/m2，密度取7850 kg/m3，泊松比取0.3，利用分塊Lanczos算法，獲得了ZBC2910Z的前幾階動力特征。因為輸電塔結(jié)構(gòu)自振頻率較為稀疏，因此重點考慮其前4階頻率，圖3為結(jié)構(gòu)的模態(tài)示意圖，對應(yīng)的計算結(jié)果如表4所示。

從表4和圖3中可以得出，小根開鐵塔ZBC2910Z-72的前3階模態(tài)分別是x向一階彎曲、y向一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)振型，且x向與y向彎曲振型的頻率非常接近，這與常規(guī)設(shè)計的基本規(guī)律一致。但是第3階振型周期與前2階較為接近，說明扭轉(zhuǎn)振型對其影響較大，不可忽略。

圖3 小根開直線塔ZBC2910Z-72的模態(tài)示意

模態(tài)小根開鐵塔設(shè)計頻率/Hz周期/s備注常規(guī)設(shè)計頻率/Hz周期/s備注11.115 0.897 x向1階彎曲1.1810.847y向1階彎曲21.117 0.895 y向1階彎曲1.1830.846x向1階彎曲31.377 0.726 一階扭轉(zhuǎn)1.4070.711一階扭轉(zhuǎn)43.147 0.318 二階彎曲2.5340.395二階彎曲

對于低呼高的酒杯型小根開鐵塔，其動力特征略有不同，具體計算結(jié)果如表5。

表5 呼高為45m時前4階模態(tài)對比

從表5中可以看出，低呼高的酒杯型鐵塔ZBC2910Z-45第1階模態(tài)為一階扭轉(zhuǎn)，主要是由于塔頭尺寸較大(本算例中塔頭高33.55 m，塔窗26 m)，質(zhì)量分布不均勻，造成塔身段對橫擔約束相對較弱，結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度較弱。建議下一階段開展真型試驗研究酒杯型小根開鐵塔的受力性能及可靠性。

3 技術(shù)經(jīng)濟比較

以小根開直線塔ZBC2910Z-72(呼高72 m)為例進行分析。小根開鐵塔根開較常規(guī)鐵塔根開縮減約22%，對特殊陡峭地形適應(yīng)性更好。如表6為小根開鐵塔和常規(guī)鐵塔的經(jīng)濟比較結(jié)果。

表6 小根開鐵塔ZBC2910Z-72與常規(guī)設(shè)計的造價對比

上表計算選取的典型地質(zhì)條件為：破碎巖石，強風化，較破碎，無地下水位，天然重度為20 kN/m3，上覆松散土層厚300 mm，粘聚力50 kPa，內(nèi)摩擦角為25°。組塔及運輸單價按2000元/t。

從表6可知，采用小根開直線塔鋼材量單基增加約4.8%～5.7%，基礎(chǔ)材料費用增加約8%～14%，土地征用費上可節(jié)省約36%～44%。小根開直線塔造價較相同條件下常規(guī)設(shè)計的費用增加約2.6%～4.4%。

值得一提的是，上述對比結(jié)果未考慮土石方和鐵塔降基值的影響。實際上，小根開鐵塔對環(huán)境保護、水土保持和適應(yīng)地形等方面具有明顯優(yōu)勢，在增加可接受工程造價的前提下，建議小根開鐵塔可在特高壓工程中選擇性應(yīng)用。

4 結(jié) 論

(1)小根開直線塔ZBC2910Z的推薦坡度取值約為0.07，對應(yīng)高寬比為6.2，與常規(guī)設(shè)計相比，其根開縮減約22%，對山區(qū)陡峭地形適應(yīng)性更好。

(2)與常規(guī)設(shè)計相比，ZBC2910Z長期荷載效應(yīng)的撓度值增大20.4%，設(shè)計荷載下塔頂位移增大約14.3%，設(shè)計時應(yīng)重視鐵塔撓度和設(shè)計變形的校驗工作。

(3)扭轉(zhuǎn)振型對酒杯型小根開鐵塔影響較大，設(shè)計時不可忽略；低呼高酒杯型小根開鐵塔動力特征與高呼高略有不同，前者以第1階模態(tài)為一階扭轉(zhuǎn)，后者為一階彎曲。

(4)小根開鐵塔抗彎與抗扭剛度均有較大削弱，建議下一階段開展真型試驗加以深入研究。

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