塔式结构概述

1、塔 式 结 构东北电力大学建筑工程学院世界最高大跨越塔 2010年4月5日，宁波凉帽山370米输电高塔顺利结顶，与2009年8月12日结顶的舟山大猫山370米高塔隔海遥相呼应，形成全球最高输电双子塔。 这两座红白相间的铁塔高370米，重5999吨，其单基塔高和塔重均居世界输电铁塔之最。一个塔腿重达8吨，主管最大管径达2米，管径1.8米以上达300余件，所有管件3000余件。 图2 螺头水道大跨越断面示意图 该塔的建设施工刷新了多项国内外纪录： 塔高370米、塔重5999吨居世界第一；大跨越耐张段长度6215米居世界第一；大跨越档距2756米居亚洲第一；同等规模跨越采用国产导线国内首次；特大跨越

2、自主设计、自主加工、自主施工国内首次；输电线路跨越塔主材采用钢管混凝土技术国内首次。 两基铁塔之间是国际航道螺头水道，一般而言，海平面与架设的导线净空高度达到65米，就可满足国际上所有船只的通航要求，而为了给国际航道未来发展留下足够的空间，设计净空高度超过了79.3米，设计风速高达42米/秒 。 微波塔电视塔 高度较大、横断面相对较小的结构,以水平荷载（特别是风荷载）为结构设计的主要依据。根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构。 一、定义：悬臂梁弹性支座连系梁1、塔式结构 下端固定、上端自由的高耸构筑物。以自重及水平荷载为结构设计主要依据。 按材料分主要有： 钢塔、钢筋混凝土塔、预

3、应力混凝土塔、木塔和砖石塔。 钢塔：常作成空间桁架或空间刚架 立面为上小下大的斜线形、曲线形或折线形。 横断面形状有三角形、正方形、六边形、八边形或其他多边形。 塔的底盘宽度直接影响塔的外观造型、结构刚度、自振周期以及基础受力。当刚度要求较严或地基强度较差时，应采用较大的底盘宽度。 塔架腹杆形式有单斜杆式、交叉斜杆式、 K式和再分式等（图2）。其中交叉斜杆又有刚性和柔性之分，柔性斜杆体系中，受压杆会退出工作。柔性斜杆可预加拉力或不预加拉力。预加拉力斜杆的长细比不受限制，能使结构紧凑、刚度大、耗钢量小，因此采用较多。 钢塔构件一般采用钢管、角钢、圆钢及其组合构件。钢管风阻小、刚性好、造型美观、节

4、约钢材，但造价较贵。圆钢取材方便，挡风面积小，并可组合成刚度较大的三边形或四边形构件,以减少长细比,增加稳定性。但组合构件构造复杂、维修麻烦。 塔架构件之间的连接可用法兰盘连接、螺栓连接或直接焊接。除三边形断面的塔架外，需每隔一定高度(特别是在塔柱变坡处)设置水平横膈，以保证横断面的几何形状不变。横膈也有刚性和柔性之分，柔性交叉横膈常预加拉力。 钢塔的基础一般在每个塔脚下设一独立的钢筋混凝土基础，为平衡塔脚水平推力和加强整个基础的刚度及稳定，各独立基础间常用地梁连接。小型塔可做成整体基础，即整个塔下设置一个平板基础或环形基础。当地基较差时，常用桩基础。对于岩石地基，多用岩锚基础。 基础平面图江

5、阴大跨越塔基础承台桩基立面图 跨越塔基础根开为68 m，每条塔腿设计1个承台，承台长为19.5 m，宽为17 m，高为4.5 m，承台之间用连梁连接，连梁高为2 m，宽为1.6 m。跨越塔基础全部采用高强度预应力管桩（PHC桩），其中每个承台56根桩，每根连梁2根桩，电梯井筒基础4根桩，每基跨越塔总共236根桩，桩径为600mm，桩长为37 m。 插入式斜柱铁塔基础 基础不均匀沉降引起的变形2、桅式结构 由一根下端为铰接或刚接的竖立细长杆身桅杆和若干层纤绳所组成的构筑物，纤绳拉住杆身使其保持直立和稳定。由纤绳、杆身和基础组成。 纤绳： 纤绳层数一般随桅杆高度增大而加多，纤绳结点间距以使杆身长细

6、比等于80100左右为宜,可等距或不等距布置。不等距布置时，宜从下到上逐层加大间距，使杆身各层应力大致相等，结构较为经济。一般每层按等交角布置三根或四根纤绳，其倾角为3060，以45较好。同一立面内所有纤绳可相互平行，每根纤绳有一地锚基础；或交于一点，共用一地锚基础。纤绳常用高强镀锌钢丝绳，用花篮螺丝预加应力，以增强桅杆的刚度和整体稳定性。 杆身： 按材料可分为钢、木和钢筋混凝土结构。钢结构杆身常采用单根钢管或组合构件。组合构件为三边形或四边形空间桁架结构。 其弦杆和腹杆由角钢、圆钢、钢管或薄壁型钢制成,其中圆形截面风阻较小,采用较多。对于四边形截面的桅杆要每隔一定高度布置横膈，以防截面变形。

7、 组合构件之间常用焊接以简化构造。为了便于制造、运输和安装，杆身可划分成若干等长度的标准节段，节段两端用法兰盘或拼接板相互连接。 木结构杆身采用单根圆木或组合木构件，用拼接钢板连接。钢筋混凝土结构采用离心式灌筑的预制管柱构件，以法兰盘连接。 基础： 基础分杆身下面的中央基础和固定纤绳的地锚基础。中央基础为圆的或方的阶梯形基础，承受杆身传来的力。地锚基础承受纤绳拉力，有重力式、挡土墙式和板式。在岩石地基中，地锚基础做成锚桩形式。 3、塔桅结构 上塔下桅结构；下塔上桅结构。/view/2da7d56648d7c1c708a145c6.html参考文献：1、塔桅钢结构施工及验收规程（CECS80：9

8、6）/view/d8faf90ef12d2af90242e600.html2、通讯铁塔工程质量控制3、移动通信钢塔桅结构设计规范二、研究现状概述：1、结构静力与动力计算理论 塔式结构多为多边形空间桁架，以往对这种高次超静定结构静力分析常常做出许多假定，其中有简化空间桁架法、分层空间桁架法等，计算简单但不精确，误差约10%。 现采用整体空间桁架法进行非线性分析，同时用等价线性化法对整体空间桁架进行非线性动力分析，综合考虑了结构大位移、P-效应、杆件初弯曲、材料弹塑性等多种非线性因素影响。计算精度大大提高。2、钢结构塔新结构体系大量涌现 20世纪80年代开始，钢结构塔采用“塔的个性化”设计方法，首

9、创了许多特色的塔型及新结构体系。轴对称多边形、双曲抛物面形、不对称螺旋形等。3、高耸结构上加设振动控制装置 塔向大型多功能、高柔性化发展，在强风作用下会产生剧烈振动和变形。采用加设调频质量阻尼器（TMD）、调频弹簧阻尼器（TSD）和粘弹性耗能器（VED）对塔进行控制，取得了重要成果。三、课程内容：1、铁塔的结构布置整体布置构件截面腹杆形式和布置横隔布置2、作用荷载风覆冰地震作用3、静力分析整体空间桁架法非线性静力计算方法整体空间桁架法电算简介4、动力分析计算模型及动力特性风振分析抗震计算非线性动力分析5、结构构件设计主体结构杆件的强度及稳定设计横隔设计6、节点设计钢管塔节点连接角钢塔节点连接节

10、点计算7、塔式结构振动控制8、基础设计四、基本学习方法：1、熟悉各种规范，掌握基本理论；2、针对每一部分内容查找有关文献，了解国内外研究现状和发展动态，以及待研究的问题；3、确定一个钢结构塔的研究专题，了解研究动态，掌握基本理论，找到基本分析方法，可为开题做好准备。五、考核内容：上交专题研究的所有成果。六、拟定专题： 新型输电塔设计、风振分析（钢管塔微风振动）、抗震分析、覆冰分析、振动控制、节点分析、法兰研究、损伤识别、结构体系优化、结构构件优化、塔头优化、塔身坡度优化、基础设计研究、塔脚构造及分析、基础不均匀沉降的影响（不仅限于此）七、基本要求： 本课程有广阔的工程应用背景，学习中应注意理论

11、联系实际。教学方法采用授课、自学、师生研讨等方式。成果内容：1、研究专题的意义、国内外现状、发展动态及尚待解决的问题；2、拟研究的主要内容及解决思路，运用的基本理论概述。铁塔及结构布置终端塔引流塔门型塔美国设计公司 Massachusetes 重新设计的输电塔，把输电塔设计成人的造型，除了实用，也赋予其情感的含义。 “绝缘管束结构塔”（IsoTruss） IsoTruss最初是由杨百翰大学（BYU）高级复合材料研究中心的戴维杨森博士发现，并将它定义为“绝缘管束结构”（IsoTruss）。绝缘管束结构是一种看上去呈缠绕笼状、开放式的管束构造，由一系列相交的三角形重叠成管束状的对称金字塔结构。绝缘

12、管束结构现在在美国持有独家授权技术。 绝缘管束结构设计的杆结构，该技术已经使输电塔达到高于80英尺的高度。 复合材料绝缘管束结构（IsoTruss）在设计上与铝或钢制的广播或电讯格塔十分类似。格子设计通常适用于耗材较少的结构，整个结构的质量只有实体结构的一半，因而绝缘管束结构可以被建造成高度较高的塔建筑。此外，绝缘管束结构特有的开放式结构还能有效降低塔或杆结构的风荷载。但是，金属格子塔的最大局限性存在于必须通过手工完成每个单元结构的装配和固定，因此它们的造价非常昂贵。一、铁塔的整体布置：由塔柱（主材）、斜材、横杆、横隔、辅助材构成。包括塔头、塔身、塔腿三部分二、塔头的选择与布置：塔头型式的选择

13、（双回路） 1、 三层横担与两层横担的比较 目前国内外一般500kV线路双回路塔型多采用导线呈垂直排列的三层横担的鼓形塔及展翅形双层横担干字型塔。三层横担的鼓形塔与展翅形双层横担干字型塔方案比较如下： 塔头紧凑，所需走廊宽度小；结构传力清晰、明确；节点处理简单。塔高较高，外负荷作用点上移，杆塔内力增加 杆塔高度低，水平荷载作用点较低。走廊宽度增加；结构传力相对复杂；节点处理复杂。横担长度长，铁塔横担抗扭性能差。采用V串，绝缘子量多。 2、三层横担I串塔与三层横担V串塔的比较 结构形式简单，有成熟的加工运行经验；结构传力体系明确；加工、安装简单。 所需走廊宽度相对宽一点 减少走廊宽度；钢材指标经

14、济绝缘子，增加了工程造价。结构传力相对复杂；节点处理复杂。 1、主材 沿一定坡度或变坡度布置，主要承受压力，由角钢、钢管、组合构件、钢管混凝土构成。根开：为总高的1/51/8横向尺寸大，主省辅费，占地大，基础省；横向尺寸小，主费辅省，占地小，刚度差，变形大。三、铁塔的构件布置：常用组合截面 以上三种组合形式中格构柱式回转半径最大，受力性能最好，然而在线路杆塔结构中，主材采取格构柱的形式，节点处理相当复杂，所以，在工程中常采用提高钢材强度来避免采用。根据规范要求等边双角钢型及等边四角钢型组合轴心压杆要校核弯扭屈曲稳定，设计时应特别注意。 为了避免采用组合截面，也可选用钢管作为主材。项 目钢管塔角

15、钢塔受力性能构件受力性能好,体型系数小,在塔高很高的情况下耗钢量较小,而且基础受力也较小。体型系数大，在塔高很高的情况下耗钢量比钢管塔大,基础作用力相应较大。塔身斜材的连接存在构造偏心。节点处理节点复杂，特别是塔身斜材交点处，加劲板使用烦琐相对简单加工制造自动化程度偏低，放样难度大，精度要求高,焊接工作量大,生产工期长。自动化程度高,焊接工作量小,工期短,质量可靠性高。安装运输成品占用空间大,安装运输安全要求高,尤其在山区线路运输困难，法兰螺栓扭矩较难保证。单件重量较轻，运输比较方便，施工质量容易检测和保证。材质的适应性钢结构设计规范规定管材屈服强度不应超过Q345。能够直接采用高强度钢材,可

16、进一步降低钢材耗量和塔材费用。结构变形变形较小。转角塔的变形较大。加工单价每吨造价高,要比角钢塔贵2530%左右单价低高强钢的运用热加工量大 ，工艺上存在焊接、层状撕裂、热变形冷加工为主，工艺上全国各铁塔厂都没问题。构件数量构件数量少20%构件数量多微风振动有微风振动的影响没有微风振动的影响塔身断面选择 根据直线塔所受荷载的特点（主要是以横向荷载为主），其塔身断面在工程中往往设计为方形与矩形两种断面形式，它们各有优缺点： 方形断面的直线塔刚度好，在山区坡度大的塔位，为避免基面大开挖而采用高低腿时，方形断面直线塔的高低腿的品种少，便于制造和安装，但是钢材用量要多一些； 矩形断面适合于直线塔的受力

17、特点、钢材用量较省，但采用高低腿时，因为塔身的正、侧面尺寸和构件长度不同，加工制造工作量要大的多，由于正、侧面高低腿的尺寸不同，安装工作也复杂一些。此外，在大档距负荷条件下，矩形塔显得纵向刚度薄弱。根据以往的工程经验，塔身断面采用矩形断面与采用方形断面相比，全塔的重量仅降低3.5%左右。高低腿输电塔2、腹杆（斜杆、横杆、辅材）腹杆形式和布置：交叉形、米字形、K形、再分式腹杆形。腹杆刚性腹杆：钢管、角钢，既受拉又受压，刚度好；柔性腹杆：圆钢，只受拉不受压，迎风面小，长细比受限小，用料省，但刚度差，一半退出工作。3、横隔布置（几何不变的平面形状）作用：维持塔身平面的几何不变性。选材：长细比控制在1

18、20200，常采用单角钢、双角钢、钢管及圆钢。布置原则：窄基：8m布置一道，宽基：取平均宽度的11.25倍。塔身纵向横隔的布置原则塔身水平面内横隔的布置原则 当横隔较长时，其自重引起的应力较大，可用竖向桁架式横隔。4、钢塔井道设置垂直交通载客电梯（2部）工作电梯疏散楼梯河南电视塔四、铁塔的节点构造：1、角钢塔主材的拼接：位置：节点以上。刨角与主材同规格不少于6M16，错列十字形拼接板十字形拼接板双角钢十字相拼主材四角钢十字相拼主材拼接角钢主材与腹杆的拼接： 角钢塔塔身主材与斜材的准线是否交于一点，在80年代中期，我国在500KV输电线路单角钢铁塔结构设计中，进行了研究和应用，斜材的准线交于主材外皮、交于主材双排准线的外排准线