SZ1铁塔结构设计优化分析

摘要：优化铁塔重量是线路工程降低造价的主要方式，依据电气间隙设计铁塔很难减轻重量，通过Q420高强钢应用使杆塔部分直接费用降低3%―5%,经济效果明显。

关键词：荷载取值 选材 高强钢 结构优化

1 国内高强钢使用情况

目前国内输电线路铁塔材料强度等级一般采用Q235和Q345两种钢材，等肢角钢规格从L40X3到L200X24，单肢角钢的承载力最大可到2100kN左右。这两种钢材在国内加工技术已比较成熟，质量稳定性好，强度离散度低，基本满足了多年来500kV及以下各等级一般线路建设的需求。随着近年来我国电网建设的快速发展，杆塔的荷载规模越来越大，由于Q235和Q345钢的屈服点较低，已越来越不适应建设的需要。500kV黄浦江吴淞口大跨越钢管塔首次使用了Q390钢取得了较好效果，国网750kV官亭―兰州输电线路示范工程的建设中，西北电力设计院和国电电力建设研究所作了大量前期调研和基础研究工作后首次成功采用了我国《钢结构设计规范》GB50017-2003中新列入的Q420强度等级钢材，经济效益显著，为我国输电线路建设中使用高强度钢材起了良好的开端。中冶集团建筑研究总院也对Q420的强度、焊接、抗冷裂、抗层状撕裂等性能进行了试验研究，效果良好。

2006年3月23日国家电网公司在北京组织召开了“高强钢应用设计技术”工作会，总结了我国电网建设中使用高强度钢材的经验，探讨了今后高强钢应用的发展方向和需要进一步研究的工作，为设计行业在铁塔选材上提高设计能力创造了技术条件。

2. 高强钢铁塔的经济性

同等规格的Q420角钢的承载力较Q345提高11%~23%，但由于应用范围所限，节约的钢量幅度要小一些。高强刚使用的合理范围是长细比较小的大规格主材，750kV官兰线施工图中JG2、JG3、DG1主材用Q420，与Q345相比节约7%~10%；建设中的我国第一条1000kV线路中也使用了Q420，节约材料5%~8%；本工程铁塔分别按照Q345和Q420选材，塔重相差5%~8%,个别塔型如ZGu325，选用Q420刚好可避免使用双角钢，节约材料在10%以上。考虑到Q420钢的价格因素，节约工程造价在3%~5%之间。用Q460高强钢选材能使铁塔耗钢量进一步下降3%―5%，但由于Q460钢在输电线路上尚无应用经验，需要进行一些相关的基础理论研究和构件试验以总结设计方法，因此本工程推荐采用Q420高强钢。

3构件断面形式

输电线路杆塔的构件断面形式一般有单角钢、双拼角钢、双拼十字角、四拼角钢、钢管和格构式断面。对受力较小的塔采用单角钢断面，随着荷载的增大单角钢承载力不能满足需要，国内一般采用双拼甚至四拼角钢断面，在大跨越塔上由于钢管风荷载体形系数小而更多地被采用，国外在大荷载塔上则广泛使用钢管结构。

4本工程材料和构件断面形式的选择

经计算分析，本工程铁塔主要构件的受力在1500kN―6000kN之间，拟订三种选材方案：方案一，主材用Q345角钢，直线塔要用到双拼角钢，转角塔要用到四拼角钢；方案二，主材用Q420角钢，大部分直线塔用单角钢转角塔用双拼角钢可满足要求；方案三，主材用Q345钢管，最大选φ450x16。

计算得出，方案一角钢Q345选材单基重量最重，方案三主材用钢管最轻。产品单价普通角钢最便宜，钢管最贵，高强钢介于二者之间，运输安装由于钢管塔单件重量大，工地运输费比前二者高。

由于圆管风荷载体型系数较角钢或组合角钢低很多，而回转半径又较角钢或组合角钢大，采用以钢管断面为主的选材方案可以使单基塔重比用主材Q420方案降低5%―8%，是一种优秀的选材方案，但由于目前还存在钢管材的价格较高，焊接质量不易保证等因素而不能采用。综合考虑成品价格和工地运输等因素后，采用方案二即主材选用高强钢(Q420)的直接费用最低。前面论述了高强钢在输电线路上已经有了成功的应用经验和一些基本的理论依据，因此本工程铁塔的材料选择方案确定为主材使用Q420角钢和组合角钢，其它构件用Q235和Q345角钢。一般节点板由于局部稳定和孔壁承压控制厚度，仍使用Q345钢,一些主要传力板如横担与塔身的连接板选用Q420。

5螺栓的使用

铁塔构件连接采用螺栓连接。

目前在500kV及以下线路中常用的螺栓4.8和6.8级螺栓。750kV官兰线路中也采用6.8级螺栓。在少量多回路铁塔和大跨越铁塔上使用了更高强度的8.8级和10.9级螺栓。从加工质量看，6.8级螺栓的质量已比较稳定，8.8级和10.9级螺栓由于使用较少，使用时要加强质量检测与控制。

螺栓选用最经济的方法是使所连接构件的孔壁承压承载力与螺栓的抗剪承载力相当。但由于构造要求和构件局部稳定的影响，这一原则并不能完全运用。

计算表明本工程直线塔选用6.8级螺栓不会引起节点板的额外增加过多，因此直线塔全部螺栓仍采用6.8级螺栓；转角塔上，节点螺栓较多，拟采用8.8级螺栓，可减少部分节点板的尺寸。

6双回路铁塔头部坡度优化

750kV双回路鼓型塔头部高度在30米以上，重量占较大比例。头部坡度的优化主要考虑各层横担布置方便，铁塔主材强度利用充分，铁塔总体变形协调等因素。选定直线塔头部最优坡度3.1%，转角塔头部最优坡度3.8%。

7铁塔身部坡度优化

塔身坡度的优化要综合考虑铁塔主材、斜材受力、基础作用力、铁塔整体刚度、塔基占地等因素。

塔身起于塔身上口至于根开，坡度由塔身上口和根开的相对尺寸决定。塔身上口过小铁塔变形大变坡点主材斜材受力不合理，塔身上口过大会导致铁塔重量增加。

在选定塔身上口尺寸后，随着坡度增大（铁塔根开增大），则主材内力、基础作用力减小，铁塔整体刚度增大，斜材倾角和内力发生变化和斜材长度增加；反之，主材受力加大，但斜材长度减小，基础作用力加大，其中存在最佳坡度优化解。塔身尺寸和坡度合理的塔型不仅重量降低，而且强度稳定、变形适宜、外观均衡。

为取得最优的塔身上口尺寸和坡度我们先根据以往工程实践确定一个塔身上口尺寸然后选取多个坡度优化计算最优解，反过来利用选定的优化坡度在变动塔身上口值优选，经过2―3次迭代可获得最优的塔身上口尺寸和坡度值。

试算比较得出，ZGu125直线塔塔身坡度为11%左右时塔重最轻，基础作用力随坡度增大而减小因而基础耗砼相应减少，综合考虑塔重、基础耗材和基础占地因素，ZGu125直线塔最优坡度11.5%―12.5%

8腿部设计的优化

塔腿设计中关于选材和强度方面的优化与塔身的优化方法相同这里不再重复叙述。这里重点论述高低腿设计。

作为铁塔与基面的结合部位，塔腿的优化主要考虑塔高调整的灵活性和铁塔适应基面地形的能力。

9结论

9.1 我国在单回路铁塔使用高强度钢材的经验和科研成果，铁塔长细比小于80的大规格主材选用了Q420等级高强钢，可使杆塔部分直接费用降低3%~5%。

9.2 塔头结构的优化是电气和结构的综合优化，导线布置与结构布置相互制约相互依从，优化结果表明二者协调塔型也是最经济的塔型。

9.3铁塔设计成可灵活调整塔高和长短的全方位高低腿，配合基础高低柱的应用，大大提高了铁塔对沿线场地不同地形地貌的适应能力，保护了西北地区脆弱的水土、生态环境。

作者简介：王晓沅 （1970-），男，助理工程师，从事输电线路结构专业。