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輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

2017-03-30 11:06朱鴻斌
關(guān)鍵詞:主材塔身鐵塔

摘要:怎樣在符合鐵塔外廓電氣間隙及其鐵塔工程中所使用的條件下,并考慮鐵塔荷載受力狀況的同時(shí),合理地、最大限度地減少鐵塔各個(gè)部位的尺寸及構(gòu)件,是控制塔型鐵塔重量的關(guān)鍵。文章從導(dǎo)線排列方式、鐵塔頭部外形形式、塔身主材坡度、腹桿布置、塔身斷面型式、橫隔處理等方面闡述了桿塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路。

關(guān)鍵詞:輸電線路;鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);塔頭;塔重;塔身坡度;橫隔 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):TM862 文章編號(hào):1009-2374(2017)03-0139-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.062

本文針對(duì)500kV線路工程所設(shè)計(jì)500SZ直線鐵塔進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。合理選擇鐵塔的桿塔布置形式、鐵塔斷面、主材斷面型式、主材坡度、腹桿布置等,以確保鐵塔的安全可靠。同時(shí)應(yīng)盡可能地對(duì)鐵塔進(jìn)行優(yōu)化,以降低工程造價(jià),保證線路的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

1 鐵塔整體結(jié)構(gòu)分析

輸電線路工程中,電氣專業(yè)將鐵塔塔型選定、明確之后,讓鐵塔既滿足電氣要求,又在結(jié)構(gòu)方面安全、可靠的前提下,使得塔重最輕、外型美觀、運(yùn)行維護(hù)方便是鐵塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),鐵塔需在滿足構(gòu)造要求的前提下結(jié)合外荷載特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,使鐵塔各部件受力清晰、傳力直接、節(jié)點(diǎn)處理簡(jiǎn)單、布材滿足其受力特點(diǎn)。

2 鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

500SZ直線鐵塔選取氣象條件為典型氣象區(qū)覆冰10mm、30m/s風(fēng)速。該塔型按同塔雙回路設(shè)計(jì),鐵塔呼高為42.0m,水平檔距500m,垂直檔距650m,導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/35(安全系數(shù)為2.5),地線型號(hào)為JLB40-150(安全系數(shù)為3)。

2.1 鐵塔塔頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以往常規(guī)500kV雙回路線路中,塔頭形式一般布置為鼓形。該塔頭布置形式較為簡(jiǎn)潔,傳力清晰,由于導(dǎo)線采取垂直排列方式,塔頭較高,當(dāng)有跨越要求時(shí),為滿足電氣對(duì)地距離要求,全塔高度較高,導(dǎo)致塔身風(fēng)荷載和上層導(dǎo)地線風(fēng)荷載較大,塔材耗量和基礎(chǔ)作用力均較大。另外一種形式為雙層橫擔(dān)的V串塔型,塔頭為三角形布置方式。兩種塔頭形式的比較如下圖1所示:

鼓型塔:優(yōu)點(diǎn)是鐵塔掛點(diǎn)簡(jiǎn)單明確、由上而下受力傳遞清晰,導(dǎo)、地線的垂直荷載、水平荷載經(jīng)塔頭橫擔(dān)上相應(yīng)掛點(diǎn)傳遞到鐵塔的身部,同時(shí)走廊較窄。缺點(diǎn)為導(dǎo)線采用垂直排列,上下相之間的電氣距離要求使得塔頭較高,塔重較重,約34800.0kg。

雙層橫擔(dān)塔:優(yōu)點(diǎn)為導(dǎo)線布置采用三角排列,比常規(guī)塔頭布置減少了一層橫擔(dān)從而有效降低了塔高,導(dǎo)地線風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載降低明顯,塔重較輕,約29700.0kg,而且其基礎(chǔ)作用力較小。缺點(diǎn)是下導(dǎo)線橫擔(dān)較長(zhǎng),構(gòu)造復(fù)雜,且走廊較寬。

通過(guò)以上兩種形式的分析,同時(shí)參考已投運(yùn)的工程中的成熟的設(shè)計(jì)成果,上述兩種形式都有各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。鼓塔型塔頭布置較為簡(jiǎn)潔,傳力清晰且走廊較窄;V串雙層橫擔(dān)塔,導(dǎo)線采取三角排列方式,能有效降低塔高近10m,塔材較鼓形塔降低約10%,同時(shí)其基礎(chǔ)作用力也減少12%以上,綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯。500kV線路一般對(duì)走廊的要求不高且有高跨要求,采用兩層橫擔(dān)的V串塔型對(duì)降低工程造價(jià)顯得更有意義。

2.2 鐵塔塔身橫斷面樣式分析

一般來(lái)說(shuō),高壓輸電線路所用的直線型鐵塔的塔身橫斷面樣式,有長(zhǎng)方形(即矩形)和正方形。直線型鐵塔的水平荷載(即垂直于線路方向,平行于橫擔(dān)方向)大于其順線路方向的縱向荷載,故此情況下的鐵塔塔身橫斷面為長(zhǎng)方形的樣式是正確的。但其抗縱向荷載能力較差,而方塔抗縱向荷載能力強(qiáng)。因一般500kV電壓等級(jí)的線路為主網(wǎng)電源點(diǎn)輸出線路,其安全性、穩(wěn)定性、重要性要求較高,故一般采用正方形橫斷面的鐵塔塔身。

2.3 鐵塔塔身坡度優(yōu)化

對(duì)有相同斜材形式的鐵塔身部而言,能夠?qū)ζ渲鞑暮托辈漠a(chǎn)生直接作用的是塔身坡度的變化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口寬度和塔腳根開(kāi)這三個(gè)獨(dú)立的變量確定的,即為(塔腳根開(kāi)-塔身瓶口寬度)/塔身高度。當(dāng)塔頭形式和呼高確定后,塔身就是一定值,這時(shí)塔身坡度就由塔身瓶口寬度和塔腳根開(kāi)來(lái)確定。塔腳根開(kāi)與塔身瓶口寬度的差值越大,塔身坡度越大;塔腳根開(kāi)與瓶口寬度的差值越小,相應(yīng)的塔身坡度越小。在塔身變坡處寬度一定的情況下,塔身坡度的優(yōu)化實(shí)際上就是鐵塔根開(kāi)的優(yōu)化,鐵塔根開(kāi)的大小會(huì)控制塔身主材,進(jìn)而影響整基塔的重量,同時(shí)還會(huì)對(duì)基礎(chǔ)作用力的大小產(chǎn)生較大的影響。塔身坡度越小,鐵塔斜材越短。同時(shí),斜材受力也越小,斜材重量將會(huì)減輕,但鐵塔主材內(nèi)力將加大,主材規(guī)格就越大,根據(jù)計(jì)算,鐵塔主材一般要占整個(gè)塔重的40%左右,主材的大小對(duì)塔重的影響最大,因此,坡度越小塔重反而會(huì)增加。反之,塔身坡度越大,根開(kāi)就越大,塔身主材內(nèi)力就越小,主材規(guī)格就相應(yīng)減小,但此時(shí),鐵塔斜材長(zhǎng)度會(huì)增長(zhǎng),內(nèi)力隨之而增大,斜材規(guī)格將會(huì)急劇增加,斜材基本受長(zhǎng)細(xì)比控制,很明顯,也是不經(jīng)濟(jì)合理的。

塔身坡度、鐵塔整體的安全穩(wěn)定以及鐵塔重量,三者是相輔相成的,不斷變化的,需要反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算,找到三者的契合點(diǎn)。其中,塔身瓶口寬度尺寸一般來(lái)說(shuō)可調(diào)節(jié)范圍較小,但是其甚至影響到整個(gè)鐵塔的剛度、塔頭的穩(wěn)定性和全塔的重量。

比較不同塔身坡度對(duì)塔重的影響,如圖2所示:

對(duì)本文案例500SZ塔型分析,鐵塔的坡度為0.102數(shù)值,此時(shí)鐵塔塔重是最低的,鐵塔鋼材量最輕,該塔型的工程造價(jià)相應(yīng)最低。

2.4 塔身斜材布置優(yōu)化

500kV雙回路直線塔塔身較長(zhǎng),主要受力斜材布材形式的合理與否,不但影響鐵塔本身的受力安全可靠,對(duì)鐵塔本身的重量和對(duì)應(yīng)工程本體的造價(jià),也是至關(guān)重要的。

因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中,也需考慮對(duì)斜材布材樣式的優(yōu)化。塔身斜材常用的布置型式有“正K型”、“倒K型”、交叉式等布置,以往單一的交叉布置型式容易使斜材產(chǎn)生同時(shí)受壓,幾種方式組合布置可以避免同時(shí)受壓情況的發(fā)生,使斜材受力成為拉壓系統(tǒng),充分利用拉壓系統(tǒng)的受力特性(拉桿對(duì)壓桿的穩(wěn)定計(jì)算起支撐作用),可減小斜材規(guī)格,降低塔重。

斜材布置形式和塔身主材分段長(zhǎng)度及輔助材布置型式是密切相關(guān)的,確定受力斜材與主材的夾角可使斜材布置合理,外觀顯得協(xié)調(diào)。夾角大,斜材較平,布置過(guò)密,易形成由長(zhǎng)細(xì)比控制選材,不能充分發(fā)揮材料性能。而角度過(guò)小,內(nèi)力加大,會(huì)加大選材規(guī)格,增加材料長(zhǎng)度。結(jié)合以往鐵塔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)斜材與水平面的夾角控制在35°~45°之間時(shí),塔重較輕。當(dāng)然,在初步確定布材以后,需要不斷對(duì)斜材的布置進(jìn)行調(diào)整以使設(shè)計(jì)趨于最合理化。

2.5 塔身橫隔面的布置

一般,對(duì)于在變坡處,集中荷載受力處等必須設(shè)置受力橫隔面。橫隔面的形式通過(guò)以往工程的經(jīng)驗(yàn)積累和不斷優(yōu)化,許多已經(jīng)成為了典型隔面形式。選用合適的形式,優(yōu)化布置鐵塔身部的橫隔面,對(duì)于向下傳遞由結(jié)構(gòu)上部外荷產(chǎn)生的扭力、減小塔重、均勻塔身構(gòu)件內(nèi)力、減小塔身扭轉(zhuǎn)效應(yīng)具有一定的作用。

在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中,需要處理好的關(guān)鍵所在是橫隔面的上、下間距的優(yōu)化布置。

3 結(jié)語(yǔ)

500kV雙回路線路工程所設(shè)計(jì)直線鐵塔塔頭采用雙層橫擔(dān)的V串塔型,有效降低塔高約10m,較傳統(tǒng)的鼓形塔節(jié)省塔材約10%。鐵塔塔身斷面全部采用“正方形”斷面,提高鐵塔的縱向剛度。合理布置塔身斜材形式及橫隔面的間隔。優(yōu)化鐵塔塔身的坡度,在塔重相差不大的前提下,盡量取小坡度,以減小征地范圍,有利于環(huán)境保護(hù),使鐵塔能夠安全、經(jīng)濟(jì)、可靠,實(shí)現(xiàn)“資源節(jié)約型,環(huán)境友好型”。

參考文獻(xiàn)

[1] 110~750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50545-

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[2] 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DL/T 5154-

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[3] 張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)

[M].北京:中國(guó)電力出版社,2002.

作者簡(jiǎn)介:朱鴻斌(1975-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,江蘇省送變電海能電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司工程師,研究方向:輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(責(zé)任編輯:秦遜玉)

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