梁巖濤 李 偉 劉 釗 祖金龍

(國網(wǎng)甘肅省電力公司建設(shè)分公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

近年來，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展促進(jìn)了電力工業(yè)的發(fā)展。伴隨著我國輸電線路的電壓等級不斷提高和線路走廊寬度的局限，增加了新建線路的路徑選擇難度和施工難度。鉆越塔的應(yīng)用可有效緩解線路緊張的問題。鐵塔的合理選型及優(yōu)化分析對于整條輸電線路起著至關(guān)重要的作用[1,2]。目前，國內(nèi)對于鉆越塔的研究較少[3-5]，本文以甘肅河西走廊地區(qū)輸電線路為背景，采用鐵塔專業(yè)設(shè)計軟件SmartTower進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，分析對比干字型、酒杯型、門型輸電鐵塔的自重、上拔和下壓基礎(chǔ)作用力以及鐵塔模態(tài)和桿件受力，綜合確定較優(yōu)的塔型，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 設(shè)計條件

本文主要研究區(qū)域?yàn)楦拭C河西走廊地區(qū)，針對該區(qū)域線路工程概況和氣象條件，確定的設(shè)計條件為：水平檔距300 m，垂直檔距400 m，代表檔距200/400。導(dǎo)線型號為2*LGJ400/35，地線型號為JLB20A-120，覆冰厚度10 mm，最大風(fēng)速為29 m/s，轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°～60°。風(fēng)壓高度系數(shù)按B類選取；桿塔覆冰后塔身風(fēng)荷載增大系數(shù)10 mm冰區(qū)取1.2。采用角鋼塔，桿塔材料采用Q235B，Q345B及Q420B級角鋼。

2 鉆越塔設(shè)計與計算

2.1 塔型選擇

根據(jù)輸電線路設(shè)計規(guī)范[6]和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，目前常用的鉆越塔型有干字型、門字型、酒杯型等。干字型鐵塔形狀如“干”字，塔架上設(shè)兩根避雷線，導(dǎo)線采用三相三角排列，中相位于較高位置。此種塔型受力明確、結(jié)構(gòu)緊湊，有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。門字型鐵塔導(dǎo)線采用三相水平排列方式，可以有效降低鐵塔的高度。酒杯型鐵塔導(dǎo)線布置與門型塔較為相似，呈三相水平排列方式。一般在走廊寬度限制條件較小的地段使用較為普遍，具有受力合理，剛度大等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 設(shè)計計算

采用輸電線路鐵塔設(shè)計軟件SmartTower，以DL/T 5154—2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定與電氣間隙等相關(guān)要求為依據(jù)，對上述三種鐵塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，并根據(jù)相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行鐵塔計算。

依據(jù)鐵塔設(shè)計規(guī)程[7-13]，三種不同型式等呼高(均為15 m)輸電鐵塔的設(shè)計結(jié)果如下：

干字型塔地線架長3.5 m，外角側(cè)橫擔(dān)長6.3 m，內(nèi)角側(cè)橫擔(dān)長6.3 m，地線掛點(diǎn)與導(dǎo)線掛點(diǎn)垂直高度11.5 m。鐵塔根開5.95 m，全高26.5 m，主材最大規(guī)格角鋼選用L250×35，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

酒杯型塔邊設(shè)置跳線架，中相V串跳線掛在塔窗與橫擔(dān)根部處，由于其橫擔(dān)縱向厚度較大，可以滿足電氣要求，無需再縱向設(shè)置跳線架。外角側(cè)導(dǎo)線橫擔(dān)長4 m，內(nèi)角側(cè)橫擔(dān)長4 m。塔窗橫擔(dān)長6 m，塔窗高11 m，鐵塔根開5 m，全高21.3 m，主材最大規(guī)格角鋼選用L300×35，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

門型塔跳線架高度6.3 m，外角側(cè)導(dǎo)線橫擔(dān)長4.2 m，內(nèi)角側(cè)橫擔(dān)長4.2 m，中相橫擔(dān)長8.6 m，桿塔呼高15 m，全高21.3 m。主柱角鋼最大規(guī)格選用L300×35，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

2.3 不同塔型的經(jīng)濟(jì)性分析

門型塔和酒杯塔導(dǎo)線排列方式采用三相水平排列，塔高為21.3 m。干字型塔采用三相三角排列方式且中相較高，導(dǎo)致干字型塔高最高為26.5 m，高于前者24%。但干字型塔受力合理、結(jié)構(gòu)簡單，橫擔(dān)長度相對較短，塔重分別比門型塔和酒杯型塔減少約13%和21%。酒杯塔塔窗較大，橫擔(dān)長度較長，橫擔(dān)的縱向厚度較大，因此塔重最大(見表1)。工程實(shí)際中各類型塔的基礎(chǔ)工程量大小與基礎(chǔ)作用力呈正相關(guān)關(guān)系，對干字型、門型和酒杯型輸電鐵塔的上拔和下壓基礎(chǔ)作用力進(jìn)行比較，如表2所示。由表2可知，干字型塔基礎(chǔ)工程量最大，酒杯型塔次之，門型塔最小。

表1 桿塔重量

表2 基礎(chǔ)作用力

3 鐵塔模態(tài)比較

輸電鐵塔為常見的高聳結(jié)構(gòu)，其前幾階模態(tài)為主要模態(tài)。通過SmartTower軟件對酒杯塔、干字型及門型塔進(jìn)行模態(tài)分析，不同塔型的前3階振型如圖4～圖6所示，各塔的自振頻率如表3所示。干字型鐵塔高度26.5 m，其1階自振周期為0.263 s，因干字型鐵塔塔身較高，在設(shè)計中需要通過增加自身剛度來提高安全性與穩(wěn)定性。酒杯型和門型鐵塔高度為21.3 m，其1階自振周期分別為0.315 s與0.235 s。三者對比分析可知：酒杯塔1階頻率最小，門型塔次之，干字型塔最大。由不同型式鐵塔的變形模態(tài)可知，鐵塔在受到外部荷載作用時X方向易折斷且上部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

表3 自振周期

4 鐵塔桿件受力分析

通過SmartTower軟件對干字型、門型及酒杯塔進(jìn)行受力分析，比較不同塔型桿件的受力。各塔型桿件最大拉力、壓力如表4所示。由表4可知，酒杯型塔的桿件受力明顯偏大，干字型塔桿件受力略低，門型塔桿件受力最小，門型塔的桿件受力更加合理。

表4 不同塔型桿件受力對比分析

5 結(jié)語

采用鐵塔專業(yè)設(shè)計軟件SmartTower對330 kV等呼高的干字型塔、酒杯塔、門型塔等三種不同型式的鉆越塔進(jìn)行了分析，比較了其鐵塔自重、基礎(chǔ)受力、結(jié)構(gòu)模態(tài)及桿件受力。結(jié)論如下：

1)門型塔的受力性能好且鐵塔用鋼量較低。

2)對鐵塔的模態(tài)分析表明，干字型塔、酒杯塔、門型塔在受到外部荷載作用時X方向易折斷且上部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，應(yīng)針對破壞特點(diǎn)采取加強(qiáng)措施。

3)干字型塔、酒杯型塔、門型塔的受力分析表明，門型塔桿件受力最合理。