重冰区杆塔规划和结构设计优化研究

1、    重冰区杆塔规划和结构设计优化研究    高新杰摘 要：根据重冰区杆塔荷载的特点，对铁塔塔身的口宽、坡度，斜材的布置，接腿型式和杆件的计算长度进行了优化，并分析了控制工况对塔重的影响。关键词：重冰区；荷载；塔型；杆塔：tm754 ：a ：2095-6835（2014）13-0013-02根据以往工程的经验和输电线路的研究设计成果，对适合重冰区的铁塔型式和绝缘子串型式的相关指标进行了计算、分析和比较。塔头尺寸的布置不仅直接关系到线路的安全运行，还对线路的电磁环境和走廊宽度具有重要的影响。采用动态规划的数学方法进行杆塔无约束条件的优化排位，然后根据优化

2、排位结果对杆塔的水平荷载、垂直荷载、塔高、线路转角进行分析，提出重冰区杆塔规划的优化方案。1 杆塔规划原则1.1 塔型选择在山区线路，直线塔一般占铁塔总量的70%以上，因此，从降低工程造价和保护自然环境的角度考虑，应合理地规划和选择自立式直线铁塔型式。1.2 直线塔选型国内外高压单回路线路的导线排列主要采用水平排列和三角排列两种方式，对应的直线塔塔型为“酒杯”型和“猫头”型，这两种塔型在我国220500 kv线路中应用广泛，属于成熟塔型。按照110 kv750 kv架空输电线路设计规范（gb 505452010）的规定，要根据现场勘查、卫片选线等情况，在模拟断面图上采用动态规划的数学方法进行杆

3、塔无约束条件的优化排位，然后根据优化排位结果对杆塔的水平荷载、垂直荷载、塔高、线路转角和塔头间隙等进行规划。该规划可根据要求来完成多塔方案的规划。系列塔型方案越多，综合造价就越低。1.3 耐张塔选型耐张塔塔型包括“干”字型塔和“酒杯”型塔。耐张塔采用的塔型基本为“干”字型塔。该种塔型线间距离小、中相跳线布置方便，而且企业在其设计、施工和运行方面经验丰富。2 铁塔接腿型式的选择“环境友好”是线路建设的总体目标之一，体现在塔型设计上，就是要因地制宜，采用灵活的铁塔接腿型式，以减少对环境的影响。对山区铁塔来说，应选取合适的全方位的长短腿级差，以达到节省塔材、保护自然生态环境、减少基面开方、降低工程造

4、价和施工难度、缩短施工周期的目的。3 重冰区荷载组合重冰区线路的特点包括：冰荷载大。重冰区线路成为控制线路各部件强度的主要荷载条件。具有较特殊的静、动态特性（如不均匀覆冰、脱冰跳跃等）。重冰区线路对杆塔的纵向、抗扭刚度和强度具有较高的要求。运行维护困难。重冰区线路不但事故发生率高，而且需要在冰雪天气下巡查、抢修，事故停电时间长。重冰区单回线路的荷载组合在运行和安装上同轻冰区一致，但在断线状况中应考虑覆冰断线，其他荷载组合主要在不均匀冰荷载上。4 重冰区杆塔的优化4.1 影响因素塔重的主要荷载来自于覆冰断线、验算冰和不均匀冰的荷载组合，这三种荷载组合的最大特点是：张力差导致铁塔承受了最大的纵向弯

5、矩；导地线挂点远离塔身（力臂长），使铁塔承受了最大的扭矩；转角塔的角度力使铁塔承受了最大的横向弯矩。在这三个荷载方向的作用下，纵向弯矩是始终存在的、无可避免的；横向弯矩取决于转角度数转角度数越大，角度力也越大，所产生的横向弯矩也越大。因此当转角度数一定时，横向弯矩也是不可避免的。扭矩则取决于力臂的长短，也就是说，取决于导地线挂点到铁塔中心的长度，即横担长度横担越长，力臂越大，所产生的扭矩也越大。对于重冰耐张塔而言，由于导线间距较大，扭矩是影响重冰区耐张塔塔重的主要因素，加上覆冰断线和不均匀验算冰产生的扭矩所导致的塔重是无扭矩情况下的1.25倍左右，因此，如何同直线塔一样缩小导线间距，以减小扭矩

6、，进而达到降低塔重的目的，是耐张转角塔型优化的关键。4.2 杆塔结构的优化塔身的上、下口宽直接影响着铁塔的整体刚度和塔重口宽越小，塔头的刚度越小，头部塔身的主材内力越大，塔重也就自然增加；反之则减小。随着铁塔口宽的不断加大，铁塔会越来越重，因此，最合适的口宽就是在确保铁塔的整体刚度下，尽量减小口宽，以充分利用构件的承载潜能，降低铁塔的重量。塔身斜材常用的布置型式有交叉式、正k型、倒k型等，以往单一的交叉布置型式容易使斜材出现同时受压的情况，而采用几种方式组合布置的方式则可以避免同时受压情况的发生，使斜材受力成为拉压系统，从而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）减小斜材的

7、规格，降低塔重。几种典型交叉斜材布置型式如图1所示。在进行长短腿组合时，增加长短腿级差可以使杆塔更好地适合山区的陡坡地形，但随着级差的增大，长短腿之间的刚度差也在增大，从而导致塔重的增加。塔重的变化幅度会随着长短腿级差的变化而变化级差越大，铁塔就越重；反之，则越小。长短腿级差对塔腿内力和塔重的影响如图2所示。5 结论通过对重冰区杆塔设计的分析，可得出以下结论：重冰区直线塔应采用导线水平排列的酒杯塔，耐张塔的塔型应采用“干”字型塔；塔身斜材采用交叉式、正k型、倒k型等方式组合布置；塔重的变化幅度会随着长短腿级差的大小而变化；在塔重增加不多的情况下，尽量加大塔身的宽度和坡度；在塔身坡度不变段内不大

8、于平均宽度的4倍处设置刚性隔面，同时确保隔面的刚度，避免隔面因下垂变形而起不到抗扭作用。参考文献1中国电力工程顾问集团公司，西南电力设计院，中南电力设计院.dl/t 54402009 重覆冰架空输电线路设计技术规程s.北京：中国电力出版社，2009.编辑：王霞abstract： according to heavy ice load characteristics of the tower， the tower of tower mouth wide， arranged slope， oblique material， then calculate the length of the leg

9、types and bars were optimized， and the effects of working conditions on the tower control weight.key words： heavy ice； load； tower type； tower 摘 要：根据重冰区杆塔荷载的特点，对铁塔塔身的口宽、坡度，斜材的布置，接腿型式和杆件的计算长度进行了优化，并分析了控制工况对塔重的影响。关键词：重冰区；荷载；塔型；杆塔：tm754 ：a ：2095-6835（2014）13-0013-02根据以往工程的经验和输电线路的研究设计成果，对适合重冰区的铁塔型式和绝缘子

10、串型式的相关指标进行了计算、分析和比较。塔头尺寸的布置不仅直接关系到线路的安全运行，还对线路的电磁环境和走廊宽度具有重要的影响。采用动态规划的数学方法进行杆塔无约束条件的优化排位，然后根据优化排位结果对杆塔的水平荷载、垂直荷载、塔高、线路转角进行分析，提出重冰区杆塔规划的优化方案。1 杆塔规划原则1.1 塔型选择在山区线路，直线塔一般占铁塔总量的70%以上，因此，从降低工程造价和保护自然环境的角度考虑，应合理地规划和选择自立式直线铁塔型式。1.2 直线塔选型国内外高压单回路线路的导线排列主要采用水平排列和三角排列两种方式，对应的直线塔塔型为“酒杯”型和“猫头”型，这两种塔型在我国220500

11、kv线路中应用广泛，属于成熟塔型。按照110 kv750 kv架空输电线路设计规范（gb 505452010）的规定，要根据现场勘查、卫片选线等情况，在模拟断面图上采用动态规划的数学方法进行杆塔无约束条件的优化排位，然后根据优化排位结果对杆塔的水平荷载、垂直荷载、塔高、线路转角和塔头间隙等进行规划。该规划可根据要求来完成多塔方案的规划。系列塔型方案越多，综合造价就越低。1.3 耐张塔选型耐张塔塔型包括“干”字型塔和“酒杯”型塔。耐张塔采用的塔型基本为“干”字型塔。该种塔型线间距离小、中相跳线布置方便，而且企业在其设计、施工和运行方面经验丰富。2 铁塔接腿型式的选择“环境友好”是线路建设的总体目

12、标之一，体现在塔型设计上，就是要因地制宜，采用灵活的铁塔接腿型式，以减少对环境的影响。对山区铁塔来说，应选取合适的全方位的长短腿级差，以达到节省塔材、保护自然生态环境、减少基面开方、降低工程造价和施工难度、缩短施工周期的目的。3 重冰区荷载组合重冰区线路的特点包括：冰荷载大。重冰区线路成为控制线路各部件强度的主要荷载条件。具有较特殊的静、动态特性（如不均匀覆冰、脱冰跳跃等）。重冰区线路对杆塔的纵向、抗扭刚度和强度具有较高的要求。运行维护困难。重冰区线路不但事故发生率高，而且需要在冰雪天气下巡查、抢修，事故停电时间长。重冰区单回线路的荷载组合在运行和安装上同轻冰区一致，但在断线状况中应考虑覆冰断

13、线，其他荷载组合主要在不均匀冰荷载上。4 重冰区杆塔的优化4.1 影响因素塔重的主要荷载来自于覆冰断线、验算冰和不均匀冰的荷载组合，这三种荷载组合的最大特点是：张力差导致铁塔承受了最大的纵向弯矩；导地线挂点远离塔身（力臂长），使铁塔承受了最大的扭矩；转角塔的角度力使铁塔承受了最大的横向弯矩。在这三个荷载方向的作用下，纵向弯矩是始终存在的、无可避免的；横向弯矩取决于转角度数转角度数越大，角度力也越大，所产生的横向弯矩也越大。因此当转角度数一定时，横向弯矩也是不可避免的。扭矩则取决于力臂的长短，也就是说，取决于导地线挂点到铁塔中心的长度，即横担长度横担越长，力臂越大，所产生的扭矩也越大。对于重冰耐

14、张塔而言，由于导线间距较大，扭矩是影响重冰区耐张塔塔重的主要因素，加上覆冰断线和不均匀验算冰产生的扭矩所导致的塔重是无扭矩情况下的1.25倍左右，因此，如何同直线塔一样缩小导线间距，以减小扭矩，进而达到降低塔重的目的，是耐张转角塔型优化的关键。4.2 杆塔结构的优化塔身的上、下口宽直接影响着铁塔的整体刚度和塔重口宽越小，塔头的刚度越小，头部塔身的主材内力越大，塔重也就自然增加；反之则减小。随着铁塔口宽的不断加大，铁塔会越来越重，因此，最合适的口宽就是在确保铁塔的整体刚度下，尽量减小口宽，以充分利用构件的承载潜能，降低铁塔的重量。塔身斜材常用的布置型式有交叉式、正k型、倒k型等，以往单一的交叉布

15、置型式容易使斜材出现同时受压的情况，而采用几种方式组合布置的方式则可以避免同时受压情况的发生，使斜材受力成为拉压系统，从而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）减小斜材的规格，降低塔重。几种典型交叉斜材布置型式如图1所示。在进行长短腿组合时，增加长短腿级差可以使杆塔更好地适合山区的陡坡地形，但随着级差的增大，长短腿之间的刚度差也在增大，从而导致塔重的增加。塔重的变化幅度会随着长短腿级差的变化而变化级差越大，铁塔就越重；反之，则越小。长短腿级差对塔腿内力和塔重的影响如图2所示。5 结论通过对重冰区杆塔设计的分析，可得出以下结论：重冰区直线塔应采用导线水平排列的酒杯塔，耐张塔

16、的塔型应采用“干”字型塔；塔身斜材采用交叉式、正k型、倒k型等方式组合布置；塔重的变化幅度会随着长短腿级差的大小而变化；在塔重增加不多的情况下，尽量加大塔身的宽度和坡度；在塔身坡度不变段内不大于平均宽度的4倍处设置刚性隔面，同时确保隔面的刚度，避免隔面因下垂变形而起不到抗扭作用。参考文献1中国电力工程顾问集团公司，西南电力设计院，中南电力设计院.dl/t 54402009 重覆冰架空输电线路设计技术规程s.北京：中国电力出版社，2009.编辑：王霞abstract： according to heavy ice load characteristics of the tower， the to

17、wer of tower mouth wide， arranged slope， oblique material， then calculate the length of the leg types and bars were optimized， and the effects of working conditions on the tower control weight.key words： heavy ice； load； tower type； tower 摘 要：根据重冰区杆塔荷载的特点，对铁塔塔身的口宽、坡度，斜材的布置，接腿型式和杆件的计算长度进行了优化，并分析了控制工况

18、对塔重的影响。关键词：重冰区；荷载；塔型；杆塔：tm754 ：a ：2095-6835（2014）13-0013-02根据以往工程的经验和输电线路的研究设计成果，对适合重冰区的铁塔型式和绝缘子串型式的相关指标进行了计算、分析和比较。塔头尺寸的布置不仅直接关系到线路的安全运行，还对线路的电磁环境和走廊宽度具有重要的影响。采用动态规划的数学方法进行杆塔无约束条件的优化排位，然后根据优化排位结果对杆塔的水平荷载、垂直荷载、塔高、线路转角进行分析，提出重冰区杆塔规划的优化方案。1 杆塔规划原则1.1 塔型选择在山区线路，直线塔一般占铁塔总量的70%以上，因此，从降低工程造价和保护自然环境的角度考虑，应

19、合理地规划和选择自立式直线铁塔型式。1.2 直线塔选型国内外高压单回路线路的导线排列主要采用水平排列和三角排列两种方式，对应的直线塔塔型为“酒杯”型和“猫头”型，这两种塔型在我国220500 kv线路中应用广泛，属于成熟塔型。按照110 kv750 kv架空输电线路设计规范（gb 505452010）的规定，要根据现场勘查、卫片选线等情况，在模拟断面图上采用动态规划的数学方法进行杆塔无约束条件的优化排位，然后根据优化排位结果对杆塔的水平荷载、垂直荷载、塔高、线路转角和塔头间隙等进行规划。该规划可根据要求来完成多塔方案的规划。系列塔型方案越多，综合造价就越低。1.3 耐张塔选型耐张塔塔型包括“干

20、”字型塔和“酒杯”型塔。耐张塔采用的塔型基本为“干”字型塔。该种塔型线间距离小、中相跳线布置方便，而且企业在其设计、施工和运行方面经验丰富。2 铁塔接腿型式的选择“环境友好”是线路建设的总体目标之一，体现在塔型设计上，就是要因地制宜，采用灵活的铁塔接腿型式，以减少对环境的影响。对山区铁塔来说，应选取合适的全方位的长短腿级差，以达到节省塔材、保护自然生态环境、减少基面开方、降低工程造价和施工难度、缩短施工周期的目的。3 重冰区荷载组合重冰区线路的特点包括：冰荷载大。重冰区线路成为控制线路各部件强度的主要荷载条件。具有较特殊的静、动态特性（如不均匀覆冰、脱冰跳跃等）。重冰区线路对杆塔的纵向、抗扭刚

21、度和强度具有较高的要求。运行维护困难。重冰区线路不但事故发生率高，而且需要在冰雪天气下巡查、抢修，事故停电时间长。重冰区单回线路的荷载组合在运行和安装上同轻冰区一致，但在断线状况中应考虑覆冰断线，其他荷载组合主要在不均匀冰荷载上。4 重冰区杆塔的优化4.1 影响因素塔重的主要荷载来自于覆冰断线、验算冰和不均匀冰的荷载组合，这三种荷载组合的最大特点是：张力差导致铁塔承受了最大的纵向弯矩；导地线挂点远离塔身（力臂长），使铁塔承受了最大的扭矩；转角塔的角度力使铁塔承受了最大的横向弯矩。在这三个荷载方向的作用下，纵向弯矩是始终存在的、无可避免的；横向弯矩取决于转角度数转角度数越大，角度力也越大，所产生

22、的横向弯矩也越大。因此当转角度数一定时，横向弯矩也是不可避免的。扭矩则取决于力臂的长短，也就是说，取决于导地线挂点到铁塔中心的长度，即横担长度横担越长，力臂越大，所产生的扭矩也越大。对于重冰耐张塔而言，由于导线间距较大，扭矩是影响重冰区耐张塔塔重的主要因素，加上覆冰断线和不均匀验算冰产生的扭矩所导致的塔重是无扭矩情况下的1.25倍左右，因此，如何同直线塔一样缩小导线间距，以减小扭矩，进而达到降低塔重的目的，是耐张转角塔型优化的关键。4.2 杆塔结构的优化塔身的上、下口宽直接影响着铁塔的整体刚度和塔重口宽越小，塔头的刚度越小，头部塔身的主材内力越大，塔重也就自然增加；反之则减小。随着铁塔口宽的不断加大，铁塔会越来越重，因此，最合适的口宽就是在确保铁塔的整体刚度下，尽量减小口宽，以充分利用构件的承载潜能，降低铁塔的重量。塔身斜材常用的布置型式有交叉式、正k型、倒k型等，以往单一的交叉布置型式容易使斜材出现同时受压的情况，而采用几种方式组合布置的方式则可以避免同时受压情况的发生，使斜材受力成为拉压系统，从而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）减小斜材的规