高压输电铁塔结构优化设计方法研究与应用

高压输电铁塔结构优化设计方法研究与应用

闾雨

中通服咨询设计研究院有限公司  江苏南京  210000

摘要：本次研究针对高压输电铁塔结构，对其结构要点、优化设计方案及算例应用情况进行了分析。高压输电铁塔结构优化设计是一项系统性工作，在实际开展过程中会涉及到多个环节，在对其进行改造时，应该以当前我国能源政策为基础，保证能源传输具体设定合理，这样才能使高压输电铁塔结构的作用得到充分发挥。当前，高压输电是我国输电及配电的主要方式，将其与其他的能源传送方式相比，输电优势更为明显，主要体现为输送容量较大、能源损耗量较小、输送效益较高等几个方面，这也为我国电力行业的现代化发展奠定了基础。因此，对高压输电铁塔结构进行优化设计非常有必要，希望本次关于高压输电铁塔结构优化设计的研究可以为今后我国电力行业输电工作开展提供微薄经验。

关键词：高压输电铁塔；结构优化；设计方法；研究与应用

高压输电模式最早诞生于上世纪五十年代，经过半个多世纪的发展，其技术体系已经较为完善，最近几年来，由输电杆塔、导地线、绝缘子、基础件等构成。随着最近几年来中国电网发展速度不断加快，输电杆塔的投资成本控制已经取得了阶段性成果，其节约成本已经达到了整个工程造价的30%以上。从当前我国输电线路运用情况来看，可以将其按照具体结构分为电缆线路及架空线路。架空线路与电缆线路相比，其优势较为明显，主要体现为结构简单、建设施工周期短、成本可控程度高、散热性能良好等几个方面，也正是因为上述优势的体现，使得其在当前我国电力行业中有广泛应用。介于上述优势，我国对高压输电模式的重视程度不断提高，其在电力行业中的应用保障了我国居民生活用电及企业生产用电的稳定性、安全性。

一、高压输电铁塔结构优化设计概念简析

结构最优化的基本原理最早在18世纪50年代中期被提出，但直到计算机技术出现之后，才在世界范围内的工程设计领域中有所应用，此后，其发展速度不断加快，体系也越来越完善。结构设计最早是指设计对象在外力作用下不仅要保证强度与刚度，同时还要尽可能的降低成本造价，从而促使其在保障基本工作性能的同时，可以有效缓解能源供给紧张的问题。总之，需要结构满足安全性、适用性、经济性等多项原则，但其中所涉及到的部分环节往往互相矛盾，因此想要实现对上述问题的有效处理，并非易事。在进行输电塔优化设计过程中，可以根据设计变量类型的差异，将其分为尺寸优化、形状优化及拓扑优化等模式。一般来说，在正式开展输电线路设计工作时，应该充分考虑到其在后续投入使用过程中受到自然灾害影响的可能性，因此，要保证杆塔的可靠性，这就需要对输电塔结构进行优化。而随着现阶段社会发展进步，相应的材料费用有所降低，在开展输电塔结构优化工作时，应该在保证输电塔可靠性及功能性的前提之下，对其成本造价进行控制。输电杆塔本身属于一种空间结构形式，主要是由杆件型钢与螺栓连接而成，这样可以使其承受来自不同方向的载荷，同时也使得其结构支撑效果得到进一步强化。

二、高压输电铁塔结构优化设计方法与应用

（一）满应力设计

对于高压输电铁塔结构优化设计来说，满应力设计是其中的重要组成部分，由于桁架的杆件都需要保持满应力状态，因此，在进行结构设计优化时，应该在结构设计方案中对多种工况情况下的结构进行整体分析，通过这种方式来对其内部应力分布情况进行确定，然后将结构设定为若干个子结构，对其受力状态进行具体分析，最终确定新的结构方案，这样才能完成一个循环。对于以往的输电铁塔满应力设计方式来说，主要是针对连续变量进行的，因此在实际运用过程中可能会出现结构杆件退化的现象，也正是因为这种情况存在，致使其不能直接应用到当前桁架结构中，要对其进行适当改进。具体来说，今后在进行满应力设计时，应该充分考虑到杆件稳定性、刚度等多方面情况，这样才能使设计方案优化达到理想效果。

（二）满位移设计

对于满位移设计环节来说，其通常只考虑盈利约束及几何约束，但对于这一结构来说，仅仅满足一个条件往往无法保证结构稳定性及适用性，因此，要充分考虑到桁架外力的具体要求，保证其阶段的线位移小于允许位移，这样才能使其结构得到优化。如果出现节点位移超出当前允许值时，应该对杆件的截面积进行调整，通过这种方式来实现对当前结构重量的有效控制，同时也可以实现对位移值的有效控制。通过上述分析可以看出，想要对满应力设计效果有效优化，对截面进行设计优化是必要前提，只有保证空间桁架结构的尺寸与实际要求更为符合，才能实现对杆件强度、刚度、位移情况等多种条件的有效约束。同时，还应该转变以往的应力比法等设计方案，可以直接通过对角钢连接的方式来实现对截面尺寸的优化，这也使得结构的适用范围更广。

（三）算例应用

本次研究以国网通用设计2E3-SZ3直线塔（27m/s风速、10mm覆冰、1000m海拔）用于三跨时（结构重要性系数1.1）优化设计的2E3-SZ3K直线塔为例，使用SmartTower软件进行计算分析。

1）对角钢材质进行对比分析，（90°大风控制工况）计算示意图如下：

国网公司已于2010年发布了企业标准《高强度角钢设计规程》(Q/GDW 577-2010),该规程主要针对Q420和Q460高强钢[6]角钢塔的设计。目前，Q420角钢已在输电塔设计中得到了大规模的推广，Q460角钢塔也在一些500kV线路中得到应用。

对比计算结果，该塔型在90°大风控制工况下塔身主材的长细比在40～80之间，构件由稳定控制，同规格Q420角钢比Q355角钢承载能力提高约15%～20%，采用Q420高强钢后各呼高整体塔重能降低8%-12%左右，经济效益明显改善。

2）对杆塔塔身坡度优化计算，计算结果如下表所示。

塔身不同瓶口宽度及坡度计算塔重结果

注：1.表中塔重为42.0m呼高的计算塔重（单位t），所用材质Q420。

可以看出，塔重曲线中出现了一个最低点（瓶口宽1.55m，坡度0.12），这个最低点附近的塔重较优。而要具体确定铁塔瓶口宽度和坡度最优点，还得结合铁塔基础作用力等来综合考虑。瓶口1.55m时不同塔身坡度基础作用力值如下表所示。

不同塔身坡度基础作用力变化表

铁塔坡度影响基础指标，增大铁塔坡度可减小基础作用力，且基础作用力随坡度的增加几乎成线形降低，从表中可以看出坡度为0.12时对应的基础作用力也相对较小，因此瓶口宽1.55m，坡度0.12对于塔重和基础作用力都是较优的选择。

3）对塔身横隔面的设置及优化

铁塔的横隔结构受力较小，并且其截面受到刚度约束条件的限制，这也使得其只有正面的横隔结构受压，而其他横隔结构则只受到拉力。因此，虽然受压杆的受力要比受拉杆小，但为了满足具体的刚度条件要求，需要进一步加大杆件面积，这样才能使其结构稳定性得到保证，进而实现对铁塔结构的优化设计。

在以往的设计中，为了便于施工时很方便地组装铁塔，设计人员往往增加横格面的数量。目前施工单位普遍采用了更先进的组装方式，所以因以上原因增加的横隔面已经失去了存在的意义。

根据《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》（DL/T 5486-2020）规定：横隔面设置间距不宜大于平均宽度（宽面）的5倍，也不宜大于4个主材分段间隔。本工程直线塔塔身平均宽度的5倍约35m，4个主材分段长度约32m，最小呼高（33m）瓶口隔面至接腿隔面距离为31.8m；最大呼高（60m）瓶口隔面至接腿隔面距离为54.3m；因此考虑在下横担以下14.5位置设一个隔面即可。

（四）大规格角钢探讨

伴随着架空输电线路施工技术的不断进步，大规格角钢在多个工程中得到了全面推广应用。

设计过程中发现，对于部分高电压等级的铁塔，当使用双拼角钢作为塔身主材或受力斜材时，随着双角钢规格的增大，需用的辅助连接件也要相应加大，加上节点板等的增重，不仅使加工、施工的难度加大，也加大的构件的挡风面积，明显增加塔重。因此采用大规格角钢的优越性越来越明显。

结束语

综上所述，对于当前我国的输电铁塔来说，其已经成为了保证电力系统运转稳定性、安全性的关键，今后在对铁塔结构进行优化设计时，应该明确相应入手点，保证优化设计工作可以有条不紊的开展，要注意对以下几方面工作进行完善：第一，对杆塔材质进行进一步研究，通过对高强钢以及其他新型材料的理论分析和实验数据来进一步提高铁塔的受力性能，降低整体造价；第二，对塔身瓶口、塔身坡度等因素对结构的具体影响进行深入研究，从而确定更具针对性的方案；第三，对输电铁塔的截面优化、形状优化、杆件取舍等方面进行优化，这也是今后的重要研究方向。今后，在开展输电铁塔优化设计工作时，还应该注意积极借鉴行业内其其他国家在此方面的经验，从而逐渐形成体系更为完善的设计方案，实现对变量、工具、循环控制、序列结果、后续处理等多个方面的优化，这样才能使输电铁塔结构的整体运行稳定性及安全性得到保证，也为我国电力行业的稳定健康发展奠定了坚实基础。

参考文献：
[1]谢锡汉. 架空输电线路杆塔结构优化设计的研究[J]. 电力系统装备, 2019(20):2.

[2]闫小峰. 关于输电线路杆塔结构优化设计分析[J]//.黑龙江科技信息2016,(3).

[3]杨茜.架空输电线路杆塔结构优化设计[J].中国高新技术企业.2015,(1).

[4]赵宇翔. 架空输电线路杆塔结构设计相关问题的研究[J]. 电源技术应用, 2014, 000(002):31-31.

[5]周冠男.高压输电线路铁塔应用Q420大规格角钢的探讨[J].房地产导刊,2014(33):477-477.

[6]朱轶,张大长,林致添. ±800kV特高压直流输电杆塔结构的动力特性研究[J].江苏电机工程2008,27(6):11-13.

[7]架空输电线路杆塔结构设计技术规程 DL/T 5486-2020

[8]架空输电线路荷载规范 DL T 5551-2018