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工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 摘要 本文依托5 0 0 k v 吕四电厂南通东变送电线路工程设计方案，对海滩涂地区铁 塔与基础设计方法展开探讨，包括架空线铁塔设计方案、架空线基础设计方案和防腐 措施三部分。 送电线路设计作为电力设计的一个重要分支，在海滩涂地区的设计涉及到电学、 力学、电化学、地质学、气象学等多门学科。通过对设计过程中所需关注的规程、设 计思路、电算方法的叙述，介绍了送电线路铁塔及基础设计所需关注的问题，并提供 一套切实可行的设计方法。对海滩涂这个特殊地域，结合国内外最新的研究成果及现 有设计经验，归纳总结出海滩涂地区铁塔、基础及防腐的一套设计方法，该方法具有 经济可行的特性，并己应用于实施。 关键词：海滩涂；送电线路；铁塔；基础：防腐 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h e5 0 0 k vl v s ip o w e rs t a t i o nt ot h ee a s t e r nn a n t o n gs t a t i o np o w e rt r a n s m i s s i o nl i n ed e s i g np r o j e c t , t h i sp a p e rd i s c u s s e sa b o u tt h es t e e lt o w e ra n dt h ef o u n d a t i o nd e s i g na p p r o a c h e si nc o a s t a lm a r s ha r e a , w h i c hi n c l u d e st r o l l e yw i r e s t e e lt o w e rd e s i g n ，b a s i ct r o l l e yw i r ed e s i g na n da n t i s e p s i s a sa ni m p o r t a n ts e c t o ri np o w e rd e s i g n ，t r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o nl i n ed e s i g ni nc o a s t a lm a r s ha r e ac a nb er e l a t e dt od i s c i p l i n e ss u c ha se l e c t r i c s ，m e c h a n i s m ，e l e c t r o c h e m i s t r y , g e o l o g y , a n da e r o g r a p h b yd e s c r i b i n gr e g u l a t i o n s ，d e s i g nt h o u g h t s ，a n dc o m p u t e r i z a t i o ni nd e s i g np r o c e s s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm a j o rp r o b l e m si n i r o nt o w e ra n df o u n d a t i o no ft r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o nl i n e ，a n dp r o v i d e sa p r a c t i c a ld e s i g na p p r o a c h a i m i n ga tt h es p e c i a la r e a - c o a s t a lm a r s ha r e a , c o m b i n i n gt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t sa n dc u r r e n td e s i g ne x p e r i e n c e sb o t ha th o m ea n da b r o a 也t h i sp a p e rd e v e l o p saa p p r o a c ho fs t e e lt o w e r , f o u n d a t i o n , a n da n t i s e p s i sd e s i g ni nc o a s t a lm a r s ha r e a t h i sa p p r o a c hi se c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l ，a n dh a sb e e ni m p l e m e n t e di ns o m ep l a c e s k e y w o r d s ：c o a s t a lm a r s ha r e a ；t r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o nl i n e ；s t e e lt o w e r ； f o u n d a t i o n ；a n t i s e p s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 洳卜年多月j 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 啦 加口年月岁日 工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 1 绪论 1 1 选题意义 高压输电线路设计是电网设计的一个重要分支。铁塔和基础是高压输电线路的承 重结构，在沿海地区架设输电线路时铁塔和基础难以避免受到海水、地下水及空气中 氯离子的腐蚀。本文以大唐国际吕四港电厂送出输变电工程为依托，分析输电线路铁 塔、基础的设计方法，以及海滩涂地区防腐方面需注意的问题，为该类地区输电线路 设计提供节约、环保的设计方案。 1 2 国内外现状 我国高压送电线路设计起源于六十年代，从最初的水泥杆、拉线塔到现在较为常 用的自立式铁塔、钢管( 杆) 塔，从原始的手算到现在的电算，发展至今已经历较大 变化。现阶段杆塔结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用可靠度指 标度量结构构件的可靠度。在规定的各种荷载组合作用下或各种变形或裂缝的限值条 件下，满足线路安全运行的临界状态【1 1 。 同时，为了节约用地，创建和谐社会，已出现电厂建设于海滩涂围填区域，为此， 海滩涂地区的高压输电线路设计方法也作为一项新的课题出现。普通的桥梁、码头的 基础设计均只需考虑下压荷载，基础设计时可考虑采用性能稳定的预制桩：输电线路 则需考虑上拔荷载，国内外已建的线路多采用堆砌人工岛方案或钢管外护方案，造价 非常高。本文也列举了国内外钢铁防腐的多种方法，选择了较为经济、耐用的一种作 为推荐。 1 3 本论文主要内容 本文结合实际工程，分析国内外设计经验，在总结送电线路杆塔和基础设计方法 的同时，对高压送电线路在海滩涂地区架设的设计方法展开研究。 大唐国际吕四港电厂位于南通启东市吕四港秦谭镇黄海滩涂围拦内，本线路自电 厂出线构架至海堤内有3 k m 线路架设于海滩涂上，海滩涂顶部至电厂设计高程铺设 约4 米高吹填海砂，该3 k m 线路即架设于该海滩涂填沙区上，另有约9 5 k i n 线路架 设于离海岸线5 k m 范围内的近海区域，根据现场勘测结果，吕四港电厂出线段3 k m 范围内滩涂地带，场地水、土由于其地下水主要为海水补给，潜水和海水相互联通， 水利联系密切，场地水、土一般对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋有中等强 腐蚀性；场地水对钢结构具有中等强腐蚀性；地下水位以上的场地土对钢结构具有 强腐蚀性。近海地带的场地水、土一般对混凝土结构无腐蚀；场地水对钢筋混凝土结 构中的钢筋在长期浸水条件下无腐蚀性，在干湿交替条件下有弱中等腐蚀性，地下 1 1 绪论工程硕士学位论文 水位以上的场地土对钢筋混凝土结构中的钢筋局部有弱腐蚀性；场地水对钢结构具有 弱中等腐蚀性；地下水位以上的场地土对钢结构具有中等强腐蚀性。 本文对海滩涂地区铁塔与基础设计方法展开探讨，包括架空线铁塔设计方案、架 空线基础设计方案和防腐措施三部分。 2 工程硕士学位论文 海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 2 输电线路铁塔设计方案 铁塔设计方案包括铁塔优化设计及塔材选型部分和铁塔电算使用技巧两部分。 2 1 铁塔优化设计及塔材选型 2 1 1 铁塔优化设计 2 1 1 1 铁塔优化设计主要遵循的规范、规程和规定 ( 1 ) 11 0 - - 5 0 0 k v 架空送电线路设计技术规程( d 坍5 0 9 2 ) ： ( 2 ) 架空送电线路杆塔结构设计技术规定( d 坍5 1 5 4 ) ： ( 3 ) 高耸结构设计规范( g b5 0 1 3 5 ) ： ( 4 ) 架空送电线路大跨越设计技术规定( 试行) ； ( 5 ) 建筑结构荷载规范( g b5 0 0 0 9 ) ： ( 6 ) 钢结构设计规范( g b5 0 0 1 7 ) ； ( 7 ) 11 0 - - 7 5 0 k v 架空输电线路设计技术规定( q g d w1 7 9 2 0 0 8 ) 。 2 1 1 2 铁塔优化设计的原则 铁塔优化设计遵循以下原则：确保铁塔安全可靠为首要前提，铁塔设计遵循规范、 规程和规定；降低铁塔耗钢量，使铁塔的造价经济合理；铁塔设计尽可能减少对环境 的影响；合理规划铁塔型式，构件布置合理，传力路线直接、简短、清晰；合理选择 塔材和节间及节点型式，充分发挥构件的承载潜能；减少材料品种，方便施工安装和 运行维护。 2 1 1 3 铁塔结构优化思路 在直线和转角塔塔型确定后，如何使铁塔在满足电气条件和结构安全可靠的前提 下使得塔重最轻、外型美观、运行维护方便是铁塔结构优化的主要目的。要实现上述 目的，铁塔需在满足构造要求的前提下结合外荷载特点进行优化，使铁塔各部件受力 清晰、传力直接、节点处理简单、布材满足其受力特点。根据对以往工程的统计分析， 在5 0 0 l ( v 输电线路中，直线塔占全部杆塔总量的8 0 以上。本工程根据优化排位的 结果直线塔约占全部杆塔总量的8 4 ，因此，直线塔的优化设计尤其重要。 2 1 1 4 铁塔所适用的气象条件 铁塔设计所适用气象条件如表2 1 1 所示。 表2 1 1 气象条件表 3 2 输电线路铁塔设计方案工程硕士学位论文 2 1 1 5 导地线型号及参数 导地线型号及参数如表2 1 2 所示。 4 表2 1 2 导地线型号及参数表 工程顿学位论文 海滩埭地e 输电线路铁塔基础设计方镕研究 2 1 1 6 决定铁塔外形的因素 塔头型式选择、横担型式和塔身截面的确定等，角钢塔和钢管塔的外形优化措施 基本致【2 。 ( 1 ) 地线支架与上横担布置型式 根据电气专业铁塔规划，直线塔地线保护角采取- 5 。，传统鼓型直线塔塔头的布 置为3 层导线横担和1 层地线横担，由于构造要求使得地线横担很高，从而导致塔重 最重，很不经济。本工程采用地线支架与上导线横担合一的布置方式，其中“平顶型” 和“羊角型”返两种塔头型式均能满足电气要求，对这两种塔头型式的分析比较如表 2 l3 所示。 表2 13 塔头型式的比较表 示图 常规塔头布置方式。优点是 优点i ；i 薹乏釜：i i 掌 线横担直接传到塔身上。 由于构造要求使得地线横 缺点鬈嘉，焉鬻 重。 5 4o m 呼高塔 重( k g ) 塔重比 推荐方案 1 6 4 9 7 9 10 2 6 不采用 常用羊角塔的型式，较平顶型 塔外形上显得更轻巧美观，传 力上导地线荷载在靠近塔身附 近由导线横担共同传力，避免 了构造要求增加的塔重，塔重 也较轻。 横担正面斜材受力较其它方案 要大，塔身与横担连接处理稍 显复杂。 1 6 0 7 9 8 l0 0 0 推荐采用 2 输电线路铁塔设计方案工程硕士学位论文 根据上表的比较，通过对“羊角型”和“平顶型”的铁塔优化计算，结果显示“羊角 型”耗钢量较“平顶型”减少25 。且塔头外形美观，所以多数工程采用地线支架与上 导线横担合一的“羊角型”塔头。【3 】 ( 2 ) 中下横担型式 交流双回路直线塔的i 串挂线横担布置方式，一般采用三角形布置，“正三角” 布置和“倒三角”柿置见如图21 1 所示，它们的比较如表21 4 所示。 飘 * * 吐上 - 、 。抟 a ) “正三角”布置方案b ) “倒三角”布置方案 瞰2 1 1 三角形布置凹 表2 14 横担型式的比较表 项 目=i优缺 点 5 0 0 k v 双回路铁塔常用的横担布置形式，传力直接、 “正三路线清晰，横担理论计算重量较轻。但是横担下平面 方案一角”布置主材距离间隙圆有2 m 左右的距离，导致横担长度较 方案长，塔身也相对高一点，增加了铁塔耗钢量，横担端 部检修较为麻烦。 该方案横担布置形式能最大限度地“贴近”间隙圆，从 而减小了横担长度和塔身高度，相较于方案一，塔全 “倒三高约减小l m ，横担长度减小04 m 。但横担吊杆水平 方案二角”布置布置，导致横担主材受力较方案一更大，但由于构件 方案尺寸变短，横担重量增加不太，且降低了塔身高度， 从而使得该方案的塔重较方案一轻12 ，且缩小走廊 宽度可减少拆房量。 工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 上表中的两个方案比较并结合以往工程的设计经验来看，两个方案各有优缺点。 5 0 0 k v 工程中，由于负荷较小，同时横担长度较短( 一般单侧在1 l m 左右) ，使得 方案一较为简洁，同时，塔重最省。 ( 3 ) 塔身截面型式 输电线路工程直线塔塔身断面型式一般有矩形( 扁塔) 、正方形( 方塔) 两种。 直线塔因其在顺横担方向的水平荷载大于垂直横担方向的水平荷载，所以，对这种荷 载条件下的铁塔为矩形塔身是合理的。通过计算比较：对于矩形直线塔，其减轻的重 量大约为方塔重3 - - - 4 左右，但抗纵向荷载能力较差且长短腿使用不灵活，而方塔 抗纵向荷载能力强且长短腿使用灵活，但塔重较重。在一般线路中，直线塔普遍采用 方塔型式。 2 1 1 7 铁塔结构设计优化 铁塔结构设计优化主要包括铁塔材质选择、塔身坡度确定、节间距离优化、塔身 布置优化及长短腿设计等。【4 】 ( 1 ) 铁塔材质选择 目前我国输电线路铁塔普遍采用的钢材为q 2 3 5 和q 3 4 5 热轧角钢，这是由国内 钢材的发展特点所决定的，与国外先进国家相比，我国输电铁塔结构所用钢材的材质 单一、强度值偏低、材质的可选择余地小【5 】。随着特高压线路工程的深入和q 4 2 0 高 强钢在输电线路中的应用，人们对高强钢的关注和在工程实际的应用研究也迅速展 开，在输电线路工程中更多地使用高强钢来满足设计要求，可节约工程投资、提高我 国输电线路杆塔设计在国际市场上的竞争力【6 】。 以长1 5 0 0 m m ，l 1 6 0 1 6 角钢，中心受压主材为例，不同强度等级钢材的承载力 对比如表2 1 5 所示。 表2 1 5 钢材的承载力对比表 7 2 输电线路铁塔设计方案工程硕士学位论文 由上表可知，高强钢材承载力比普通钢材大大提高，线路的荷载较大时，如主材 使用高强钢q 4 2 0 ，可以减小主材规格从而在一定程度减小塔身风荷载，可以减轻塔 重，取得较好的经济效益【7 j 。 日本、欧美的高强度钢材不仅可以用于角钢塔，还可以用于钢管塔方面，2 0 0 3 版的欧洲钢结构设计规范中，钢管结构的材料屈服点已经提高到4 6 0 m p a 。但在钢管 塔方面，根据我国现行钢结构设计规范( g b5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 的要求，跨越塔使用 钢材应具有抗拉强度、屈服强度、伸长率和硫磷含量的合格保证，此外，还应有冷弯 试验的合格保证，对钢管焊接结构尚应具有含碳量的合格保证和应有0 0 c 冲击韧性合 格保证，同时钢规1 0 1 3 条规定“热加工管材和冷成型管材不应采用屈服强度超过 3 4 5 n m m 2 的钢材，且钢管壁厚不宜大于2 5 m m ”【8 】。对于q 4 2 0 及以上级别高强度钢 板卷制的钢管结构在经过相应试验研究后用于钢管塔上也是可行的。目前，对于 q 4 2 0 b 材料在钢管塔没有工程应用实践，若采用q 4 2 0 b 高强钢材料，需要进一步进 行研究【9 1 。 在钢结构设计中，对于板件厚度大于等于4 0 m m 的钢板有板厚方向的性能要求( z 向性能) ，这种较厚钢板如果不严格控制其z 向性能，厚钢板较易产生层状撕裂，因 为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和变形也越大【l0 1 。在其 加工特别是焊接过程中由于可能产生比较大的残余应力，所以很容易发生横向分层而 造成层状撕裂，对构件造成破坏，所以在采用较厚钢板的时候，必须慎重考虑，当必 须采用较厚钢板时必须规定该板件的各项性能要求，特别是其z 向性能要求，而且在 加工制作钢构件时，必须严格挑选有经验以及有严格性能保证的钢结构加工企业，加 工制作时，必须严格控制各项加工程序，保证性能要求。 当钢板厚度大于4 0 m m 时，推荐采用z 向钢以避免焊接时产生层状撕裂，其材 质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板g b f f 5 3 1 3 的规定。z 向钢板是在某一 级结构钢( 称为母级钢) 的基础上，经过特殊冶炼、处理的钢材，其含硫量为一般钢 材的1 5 以下，截面收缩率在1 5 以上。钢板沿厚度方向的受力性能( 主要为延性性 能) 称为z 向性能。钢板的z 向性能可通过做试样拉伸试验得到，一般用断面收缩 率来度量。我国生产的z 向钢板的标志是在母级钢钢号后面加上z 向钢板等级标志 z 1 5 、z 2 5 、z 3 5 ，z 字后面的数字为截面收缩率的指标【1 1 1 。 表2 1 6 为铁塔设计采用钢材的强度设计值。 工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 表2 1 6 钢材的强度设计值( n r a m 2 ) 在连接设计中，对于输电塔结构型式优先选用螺栓连接，其次考虑焊接( 插板焊 接或相贯焊接) ，除了受力不大的斜材和辅助材可以使用6 8 级的普通螺栓，主材和 受力较大的斜材采用高强度螺栓是必须的，目前8 8 级以上的高强度螺栓在大跨越输 电线路铁塔上已经有很多应用的实践，其材质和机械特性应分别符合现行规范紧固 9 2 输电线路铁塔设计方案工程硕士学位论文 件机械性能螺栓、螺钉和螺柱g b t3 0 9 8 1 和紧固件机械性能螺母粗牙螺纹 g b t3 0 9 8 2 的规定【1 2 】。但由于近几年在使用的过程中陆续出现了一些断裂现象，使 得设计人员对高强度螺栓的应用有一些顾虑，大部分是因为材质缺陷和热处理等加工 问题。市场上反映较好的一些厂家生产出来的螺栓往往质量都比较稳定，而一些规模 较小、业绩较少厂家的产品质量有待于提高。对于高强度螺栓的设计与应用，应注意 以下几个问题： 1 ) 配合业主选择业绩较好的厂家，螺栓厂应该提供生产规模及供货能力，加工、 检测、试验设备，热处理及镀锌设备、工艺等情况的说明报告。并应有类似线路( 电 力) 工程8 8 级及以上镀锌高强度螺栓的供应业绩。 2 ) 配合螺栓厂谨慎、合理地选择原材料的钢牌号，严格控制原材料的质量关， 对原材料的材质不仅需要做常规的理化检验，对每一根圆钢做目测检查，有必要时， 还需要做探伤检查，将不合格的原材料排除在加工工序之前。 3 ) 设计布置螺栓时在满足承载力的前提下尽量采用小直径的螺栓。不仅因为数 量相对多的小直径的螺栓比数量相对少的大直径螺栓安全可靠性要好，而且在机加 工、热处理和拉力试验中，小直径螺栓更容易操作。 4 ) 螺栓厂应对不同级别、规格的高强度螺栓的加工、制造有专门的工艺措施， 尤其是热处理等调质过程应有特殊的控制工艺，以防止淬火和退火失控以及严重的渗 碳现象以及螺栓表里硬度差过大，影响螺栓的机械性能。 5 ) 螺栓应仍然采用热镀锌防腐措施，应单独成批热镀锌，不允许与其他不同的 构件混镀，但对于镀锌工艺和过程( 镀锌温度、时间、冷却、清洗) 需要合理控制， 并应优先采用抛丸等物理的除锈工艺，最大限度地避免氢脆的发生。 6 ) 螺栓紧固扭矩值不宜太大，防止因超拧而使螺栓一直处于高应力状态下。螺 栓的紧固应采用力矩( 放大) 扳手，螺栓的拧固次序应当按照事先设定程序进行操作， 最大限度地避免螺栓群的受力不均匀。 螺栓的抗剪强度级别如表2 1 7 所示，可根据抗剪强度来分析螺栓数量及节点板 的大小。 表2 1 7 不同级别螺栓的抗剪强度表 从上表可得出，不同的螺栓级别，其抗剪强度不同，在以往5 0 0 k v 线路工程中， 一般m 1 6 的螺栓均采用4 8 级，m 2 0 及m 2 4 的螺栓普遍采用6 8 级，而对于8 8 级 1 0 工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 和1 0 9 级螺栓使用很少，根据6 8 级和8 8 级螺栓强度级别的比值来看，当采用8 8 级螺栓时，螺栓数量可减少2 0 ，则节点板可缩小1 0 左右，也即是说板的重量可 减轻1 0 左右；当然采用1 0 9 级螺栓可节省更多，但由于1 0 9 级螺栓在酸洗除锈时 容易造成氢脆断裂，且缺乏成熟的运行经验，建议不采用1 0 9 级螺栓。因此，全线 铁塔螺栓推荐采用4 8 级( m 1 6 ) 、6 8 级( m 2 0 ) 、8 8 级( m 2 4 ) 镀锌螺栓，以减 小节点板，从而达到减轻塔重的目的。 ( 2 ) 塔身坡度确定 对于同一种腹杆布置形式的塔身，不同塔身的坡度直接影响到主材和斜材规格的 变动。在塔身变坡处宽度一定的情况下，塔身坡度的优化实际上就是铁塔根开的优化， 铁塔根开的大小会控制塔身主材，进而影响整基塔的重量，同时还会对基础作用力的 大小产生较大的影响。塔身坡度越小，铁塔斜材越短，同时，斜材受力也越小，斜材 重量将会减轻，但铁塔主材内力将加大，主材规格就越大，根据计算，铁塔主材一般 要占整个塔重的4 0 左右，主材的大小对塔重的影响最大。因此，坡度越小塔重反 而会增加。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，铁塔斜材长度会增长，内力随之而增大，斜材规格将会急剧增加， 斜材基本受长细比控制，很明显，也是不经济合理的。同时塔身坡度的大小直接影响 到基础作用力和征地范围的大小，塔身坡度越小，基础作用力就越大；塔身坡度越大， 基础作用力就越小，但塔基征地范围加大，也会增加建设费用。因此，为充分利用构 件的承载潜能，实现塔重最轻的目标，关键是确定合适的塔身坡度，合理的塔身坡度 不仅能使铁塔的钢材指标降低、刚度和强度稳定可靠，而且外观也显得非常协调【l3 1 。 下面以本工程的s z c 2 直线塔5 4 m 呼高为例，对于钢管塔和角钢塔分别比较不 同塔身坡度对塔重的影响，如表2 1 8 、2 1 9 和图2 1 2 、2 1 3 所示 1 4 1 。 表2 1 8 角钢塔塔身坡度对塔重影响 根开( m )1 9 0 0 01 9 3 0 01 9 5 0 01 9 7 0 02 0 0 0 02 0 2 0 02 0 4 0 02 0 7 0 0 2 输电线路铁塔设h 方案t 程硕j 学位论文 幽212 角钢塔铁塔根开和塔重关系曲线 幽213 钢管塔铁塔根开和蟮重关系曲线 出上述图表可知，对角钢塔而言，s z c 2 直线塔当塔身坡度取0 1 1 i o 1 1 9 时， 耗钢曲线明显处于最低，塔材指标最优，结合根开和基础作用力塔身坡度选用o1 1 4 ： s z c 2 钢管型直线塔当塔身坡度取0 1 3 2 01 4 1 时，塔材指标最优，塔身坡度选用 0 1 3 7 。 ( 3 ) 丘陵山区地段采用全方位长短腿铁塔 工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 在山区送电线路工程中，地形起伏千变万化，选用长短腿塔可以减少土石方开挖 和运输，最大限度地保护生态环境。不同地形，长、短腿的高差及其组合也不相同。 根据以往工程经验，对于同一系列的长短腿而言，短腿的刚度较长腿的刚度大， 因此短腿主材及斜材的内力要大于长腿主材及斜材的内力。当长、短腿的高差越大时， 这种差异更明显，而且按长短腿轮换计算的基础作用力要比等长腿的大 1 5 】。 在国内绝大部分5 0 0 k v 交直流工程中，长短腿级差取1 5 m ，且最大高差一般为 6 m ( 能适应3 0 0 左右的地形坡度) ，而塔重的增幅一般在3 5 。 ( 4 ) 节间距离优化 在铁塔布材设计中，确定了节间距离，也就确定了主材的计算长度，主材的计算 长度对铁塔的总重有很大的影响，节间距离过大或过小，都将使塔重增a n t l 6 】。这是因 为节间过小，不仅不会增加杆件的承载力，反而增加了斜材和辅材的数量，加大了塔 的重量。反之，如果节间过大，杆件的承载力随长度的增大而减少，材料强度不能被 充分利用，也要增加塔重【l7 1 。根据材料力学的理论，铁塔构件的承载能力与构件的长 度、截面面积及材料屈服点有关。当构件的规格由强度控制时，构件需要选取的截面 面积( 规格) 与其所承担的内力成正比，内力愈大，所需截面面积愈大；当杆件的选 材是受轴心受压条件控制的情况下，只有当杆件的长度处于按稳定计算的最大承载力 等于按强度计算的最大承载力时，材料的强度才能得到最充分的利用。对于铁塔这种 由细长杆所组成的结构，且大部分杆件为轴心受压条件控制，对按稳定计算的最大承 载力等于按强度计算的最大承载力这种情况下的杆件长度，我们暂称为“布材临界 度”。 对于常用主材，分别按q 3 4 5 和q 4 2 0 钢，计算所得的布材临界长度如表2 1 1 0 。所 示。 表2 1 1 0 角钢的布材临界长度 材质 q 3 4 5q 4 2 0 临界 曼曩 篆曩 规格 不默 o c f 临界布材临界长度临界 长细l e r压曲 比( m m )系数 z , e r最小轴平行轴 q c r 临界 布材临界长度 长细l c r 比( m m ) k c r最小轴平行轴 l 8 0 x 60 7 2 66 1 29 7 31 5 1 10 7 5 45 2 08 2 61 2 8 3 l 8 0 x 70 7 2 3 6 1 5 9 7 21 5 1 30 7 2 35 5 88 8 l1 3 7 2 l 9 0 x 60 7 9 85 1 09 1 71 4 2 20 8 7 83 3 86 0 89 4 3 2 输电线路铁塔设计方案工程硕士学位论文 l 9 0 x 70 7 5 55 7 21 0 1 715 8 9 0 7 6 4 5 0 79 0 3 l 9 0 x 80 7 5 35 7 4 10 2 2l5 8 50 7 5 3 5 2 1 9 2 7 l io o x 70 7 8 65 2 710 4 916 2 80 8 5 63 7 57 4 6 l i o o x 80 7 8 05 3 61 0 6 21 6 5 20 7 8 04 8 69 6 2 l 1 0 0 x l o0 7 7 75 4 11 0 6 11 6 5 00 7 7 74 9 09 6 1 l 1 1 0 x 70 8 8 13 6 58 0 41 2 4 60 9 7 91 2 52 7 5 l 11 0 x 8 0 8 0 0 5 0 611 0 81 7 2 00 8 5 63 7 48 1 9 l 12 5 x 80 8 7 83 7 1 9 2 81 4 3 90 9 7 41 4 03 4 9 l 1 2 5 x 1 00 8 0 35 0 1 1 2 4 41 9 3 10 8 0 34 5 511 2 7 l 1 2 5 x 1 20 8 0 15 0 51 2 4 21 9 3 40 8 0 14 5 8l1 2 6 l 1 4 0 x 1 0o 8 3 14 5 71 2 7 01 9 8 20 9 0 52 8 77 9 9 l 1 4 0 x 1 20 8 2 34 7 01 3 0 22 0 2 50 8 2 34 2 61 1 8 0 l 1 4 0 x 1 40 8 2 14 7 31 3 0 02 0 2 30 8 2 14 2 811 7 8 1 4 1 0 1 4 3 7 1 1 5 8 1 4 9 7 1 4 9 6 4 2 7 1 2 7 1 5 4 2 1 7 5 0 1 7 5 3 1 2 4 7 1 8 3 6 1 8 3 4 l 1 6 0 x 1 20 8 4 64 3 01 3 6 92 1 3 10 8 9 03 1 61 0 0 41 5 6 3 l 1 6 0 x 1 40 8 4 5 4 3 31 3 6 82 1 3 00 8 4 53 9 21 2 4 0 l 1 6 0 x 1 60 8 4 44 3 51 3 6 62 1 2 80 8 4 43 9 41 2 3 8 1 9 3 0 1 9 2 8 l 18 0 x 1 40 8 3 74 4 615 9 32 4 8 60 8 6 33 6 31 2 9 52 0 2 0 l 1 8 0 x 1 60 8 3 64 4 81 5 9 2 2 4 8 4 0 8 3 6 4 0 61 4 4 32 2 5 1 l 2 0 0 x 1 40 8 8 23 6 51 4 5 12 2 6 00 9 6 51 6 16 3 99 9 6 l 2 0 0 x 1 60 8 5 34 1 81 6 5 62 5 8 50 8 6 03 6 81 4 5 82 2 7 5 l 2 0 0 x 180 8 5 24 2 01 6 5 52 5 8 30 8 5 23 8 11 5 0 02 3 4 1 l 2 0 0 x 2 00 8 5 14 2 2 1 6 5 7 2 5 8 l0 8 5 l3 8 21 5 0 22 3 3 9 l 2 0 0 x 2 40 8 4 94 2 51 6 5 72 5 8 00 8 4 93 8 51 5 0 22 3 3 8 由上表可以看出，钢材的设计强度越大则布材临界长度越小，即q 4 2 0 钢种比 q 3 4 5 钢种的布材临界长度要小。根据以上分析，我们确定直线塔节间分段原则为： 角钢肢宽在1 4 0 - - - 1 6 0 m m 的主材，当采用q 3 4 5 时，最小轴布置的计算长度取1 3 1 4 工程硕士学位论文 海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 1 4 m 最合适，而当采用q 4 2 0 时，最小轴布置的计算长度取1 2 1 2 5 m 最合适：对 于角钢肢宽在1 8 0 - - 2 0 0 m m 的主材，当采用q 3 4 5 时，最小轴布置的计算长度取1 6 1 6 5 m 最合适，而当采用q 4 2 0 时，最小轴布置的计算长度取1 3 0 , - - , 1 5 0 m 最合适。 同时，节间距离的确定还受塔体的分段、接腿型式及外形尺寸等因素的制约，不可能 完全理想地达到使主材长度等于布材临界长度，但是应坚持不能偏离过大，这样才能 达到节间优化、降低塔重的目的，优化计算结果表明，一般主材的长细比最佳值为 4 0 - - 5 0 。 对于钢管塔而言，由于主材段与段之间采用法兰连接，可认为主材选择受稳定控 制，按照整塔优化计算，钢管塔主材最佳长细比为6 0 - - 8 0 。 2 1 2 铁塔构造措施 2 1 2 1 角钢塔构造措施及优化 ( 1 ) 塔身斜材与主材的连接 塔身斜材与主材的连接，需要2 - 3 个6 8 级的螺栓，通常采用连板连接，这既 使传力复杂，增加了构件的偏心，又增加了钢板的消耗。我们采用多心线法，按这种 方法连接，螺栓在构件上不是处于一条心线上，而是处于准线两边的二条心线上，斜 材偏心力没有增加，螺栓却大部分都能布置在主材角钢上，由此能够节省和减小了塔 身主材与斜材的连接钢板。 ( 2 ) 斜材布置 塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正k 型”、“倒k 型”等布置，以往单一 的交叉布置型式容易使斜材产生同时受压，几种方式组合布置可以避免同时受压情况 的发生，使斜材受力成为拉压系统，充分利用拉压系统的受力特性( 拉杆对压杆的稳 定计算起支撑作用) ，可减小斜材规格，降低塔重。但是塔身斜材宜多采用交叉斜材 布置，尽可能少用“k 型”布置，根据初步计算，“k 型”布置的塔身，其扭转刚度要弱 于交叉斜材布置的塔身。 斜材布置形式和塔身主材分段长度及辅助材布置型式是密切相关的，确定受力斜 材与主材的夹角可使斜材布置合理，外观显得协调。夹角大，斜材较平，布置过密， 易形成由长细比控制选材，不能充分发挥材料性能，且塔身抗扭刚度较差。而角度过 小，内力加大，会加大选材规格，增加材料长度。根据本工程的铁塔计算并结合以往 铁塔设计经验可知，当斜材与水平面的夹角控制在3 5 0 - 4 5 0 之间时，塔重较轻。 ( 3 ) 横隔面设置 采用一定形式，合理的设置塔身横隔面，对于向下传递由于结构上部外荷载产生 的扭力、减小塔重、均匀塔身构件内力具有一定的作用。根据架空送电线路杆塔结 2 输电线路铁塔设计方案工程硕士学位论文 构设计技术规定中的构造要求：在铁塔塔身坡度变更的断面处、直接受扭力的断面 处和塔顶及塔腿顶部断面处应设置横隔面；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。 本工程直线塔塔身平均宽度的5 倍普遍在5 0 m 左右，4 个主材分段长度一般在 4 0 m 左右，扣除变坡以上身段长度( 一般在4 7 0 - 5 0 o m ) 及接腿长度1 8 m 左右，因 此普通直线塔最大规划呼称高为6 0 m 时，按照构造要求不需设置横隔面。而跨越塔 虽然呼高较高，但采取两次变坡后，在塔身中间也不需要设置横隔面。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、减小塔身重量、 均衡塔身构件内力具有明显的作用，隔面选材需确保其自身刚度，避免隔面下垂变形 而起不到抗扭作用。 对于塔身不变坡段内横隔面的设置位置一般有以下三种方式( 如下图2 1 4 ) ， 对于方式三由于隔面横材连接较为单一，在采用法兰或焊接连接的、且不减小计算长 度的大跨越钢管塔上使用最多( 此时一般按拉杆考虑) ，而对于一般线路角钢塔，采 用该方式容易引起塔身交叉斜材同时受压，且隔面横材受力较大，计算长度很长，横 材规格很大，从而引起塔重增加 18 1 。而方式一和方式二避免了方式三的缺点，充分利 用了其对铁塔杆件内力分配的调整作用，消除了塔身交叉斜材的同时受压情况，优化 了斜材受力，降低了钢材耗量，同时还加强了铁塔的整体刚度，提高了铁塔运行的可 靠度。因此对于角钢塔而言，塔身不变段内的隔面设置采取方式一和方式二的型式明 显优于方 1 、 椭隔而 、 、x 7 a ) 方式一b ) 方式二 c ) 方式三 图2 1 4 横隔面设置方式 2 1 2 2 钢管塔构造措施及优化 ( 1 )钢管塔节点构造 输电塔都要求在工厂作长效防腐蚀处理( 热浸锌) ，运到工地后不能再焊接，须 采用螺栓连接。法兰连接强度和刚度均较大，一般钢管塔主材均采用法兰连接。法兰 1 6 i 程硕士学位论文 海滩埭地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 连接方式虽然加工比较复杂，但是受力性能较好，便于主材的传力。一般的法兰连接 用高强度普通螺栓( 不要求加预拉力或者仅要求加很小的预拉力) ，采用双螺母防松。 这种连接仅保证法兰处的拉压强度，而不能保证法兰处不发生转角位移。一般每段仅 端部( 横杆向上的5 0 0 m m 处) 有一个法兰所以即使有角位移也是允许的，因为如 果按空间桁架计算，节点作为铰接，所以计算模型与实际情况类同【m 。 主斜材常用的相贯焊接节点形式有“k k ( 主材和斜材连接) 、“t t ( 斜材与横 材) 、个( 斜材与辅助材) 、“”( 交叉斜材与横材) 4 种节点形式，如图2 1 5 图 218 所示。对于每种节点形式，钢结构设计规范第1 03 节均有详细的计算公式， 但要注意这些计算公式所适用的范围和边界条件，即这些公式适用于： 主管和支管直接相贯焊接： 支管外径与主管外径之比b 满足：0 2 - 0 l _ 0 ； 支营外径与支管壁厚之比d a 满足：d l t i s 6 0 ；主管外径与主管壁厚之比d t 满 足：d t _ 3 0 0 ：支管在主管横截面上的空间投影夹角中满 足：6 舻珊1 1 2 0 。 有些节点上还应该根据需要适当增设加劲板以增加节点的剐度。例如横担与主材 的连接节点为了满足主材的局部稳定和强度要求需要对主材的壁厚进行适当的加厚， 并横向设置加劲板贯穿横担主材和塔身隔面横材。在挂线点附近的管子上需要沿管横 断面方向焊接加劲板增加管子的刚度等【2 们。 q 对 薹 仨仁 上- 玲 图21 j 主材与斜材的连接节点 凝鎏 图2 16 交叉斜材的连接节点 飞 2 辅电线路铁塔口计方案i 程硕学位论空 恭器 图217 水平横隔材与斜材的连接节点 糕誉、 图2 18 横隔面斜材的连接节点 在钢管塔的次要节点连接设计中一般有相贯焊接、 型插板连接、“r 型插 板连接和“r 型插板连接等4 种节点连接方式，根据杆塔构件的结构部位、受力大小 和构造要求，布置在不同的部位，节点连接方式的选用既要保证结构的受力性能，又 要方便钢管塔的加工和安装，以解决结构内力、结构构造和加工制造、施工安装中的 矛盾。根据斜材与主材的连接中构件的截面大小、内力大小，来科学选择3 种不同的 插板型式。“u ”型插板一般用于受力较大的斜材连接上，可以充分发挥螺栓的双剪特 点。个型插板用于管截面较大而内力较小的构件( 例如塔腿部分的辅助材等) 的连 接，既保证了管头部分的结构刚度，又使得辅助材的支撑作用得到了保证。1 型插 板连接用于管截面相对较小而内力相对较大的构件插板不仅提供了截面积，保证了 强度，同时也加强了插扳厚度方向的刚度。 。飞毋动蔹i ! 垡细j 等啄存0 + 耀 隆2 、一。7 l 产包 卷连避单摇疑墀害诬镪i 图2 l9 相贳连接、u 型插版、单插扳连接示意图 工程硕士学位论文海滩涂地区输电线路铁塔及基础设计方法研究 试验表明，插板节点具有较强的塑性变形能力和较高的强度储备。加环向加劲肋 后可提高插板节点的始屈荷载和极限承载力。节点端部主管管壁是整个节点区域的最 危险区域，如在节点端部焊接环向短肋等构造还是必要的。同时对于支管与插板的连 接部位存在应力集中，应保证插板和支管有一定连接长度。 次要杆件在结构计算中受力很小，或者甚至是零杆。但实际结构中由于荷载分布 状况的变异和结构制造、安装的允许误差等因素，会使这些构件受力起变化，而这些 变化相对于它们原本正常状态下微小的内力会显得较大。所以实际结构和结构计算相 比，凡计算出来受力大的构件就变异小，而计算结果受力小的构件则变异大。如新颁 布的高耸结构设计规范g b 5 0 1 3 5 2 0 0 6 中就有关于“埃菲尔效应”的规定，也是这 个原因。 所以对于横隔或再分式腹杆，不应根据计算内力确定其连接，而应根据其长度选 择适当的长细比( 约1 8 0 ，小于2 0 0 ) ，然后计算杆件的轴心受压承载能力，再根据 其轴心受压承载力设计其连接，以使其杆件与节点的承载能力相一致，这样仅增加很 少的投资，但增加了工程抗风险能力。 ( 2 ) 钢管塔的焊接 对于焊接要求，根据钢结构设计规范的规定，在设计文件中对焊缝的等级。 焊脚高度都应有明确的说明。一般钢管的纵向连接焊缝要求不高，而且这条焊缝可以 采用自动埋弧焊，质量上也比较容易控制。对于相贯连接、插板连接的一系列焊缝， 设计一般均按照角焊缝的强度进行计算，在焊缝质量上只要达到外观二级水平就可以 了，但对于钢管的环向对接焊缝、柔性法兰的对接焊缝等重要焊缝，应该满足二级焊 缝的质量要求【z u j 。 钢管塔有大量的钢管相贯线焊接，钢管相贯线焊接的承载能力一者取决于焊缝强 度，二者取决于主管壁的稳定。而焊缝强度与焊缝控制要求有关，凡是强度问题而非 疲劳问题，一般均选二级焊缝，对于如此重要的结构，我们要求相贯线焊缝全熔透， 即用四分区法确定焊缝坡口形式( 如图2 1 1 0 所示) 。二级焊缝与母材等强，而焊缝 长度一般均大于管周长，且次管的承载力是受压稳定为控制，故应力必定小于设计强 度，所以焊缝的强度无需计算。 2 输电线路铁塔设计方案i 程顾士学位论文 一鎏一 藤藤群需需殍邕邕盐 之邂擎擎 雏磷甾 塑塑 凹2 11 0 四分法等强焊接 ( 3 )钢管塔的局部稳定问题 关于主管壁的稳定承载能力，取决于主管与支管的壁厚、直径、支管的受力、支 管与主管的交角等参数，可用规范规定的方法验算，不符合规范规定条件时可用有限 元方法验算，但其中有些特点可以帮我们判别哪些节点是重要的，哪些节点是次要的。 第一个特点是：凡是支管受力与主管受力属于同一数量级时，则节点受力大，须 作验算甚至加固，如横担上下弦杆与塔柱相交节点，靠近上部的斜杆与塔柱相交节点 等。在这些点，塔柱受力不太，因而截面也不太，但横担传来弯矩和剪力均较大所 以支管的力较大，塔柱管壁承载能力很可能不够而需要加强。 另外，如在结构计算中为零杆的横杆，则不要考虑塔柱管壁承载力问题。对于塔 身中下部的斜腹杆与塔柱的连接，尽管斜腹杆的内力向下逐渐增大，但是这种增大是 代数级的增大，而塔柱内力向下增大呈几何级的，所以相对来说塔柱很强，能够承受 的节点力也较大，问题就不是很严重一般