输电线路铁塔结构优化设计的几点思路

输电线路铁塔结构优化设计的几点思路
郭　翔
（内蒙古鲁电蒙源电力工程有限公司）
摘　要：铁塔结构设计是在满足线路电气间隙要求的基础上，通过荷载计算与组合，杆塔结构型式选择，结构内力与变形计算分析，强度、稳定和刚度等计算，得出最优的杆塔型式的过程。

关键词：铁塔；结构设计；强度；可靠度
０　引言
输电线路主要由五大部分组成，即线、金具、绝缘子、塔和基础，杆塔是组成输电线路的重要部分之一，其造价占工程本体的３０％以上，杆塔的选型取决于输电方式（单回、多回、交直流、紧凑型、电压等级）、路径情况（沿线的规划情况、房屋、林木等）、地质情况、地形条件和使用条件，杆塔设计时应在满足上述要求的前提下，根据综合技术经济比较，精心设计，以实现安全、经济、环保、美观的目标［１］。

１　铁塔结构优化的主要原则
杆塔结构优化，应以达到安全可靠、先进适用、经济合理为目标。

（１）确保铁塔有足够的强度和稳定性以保证线路的安全运行。

（２）尽可能减少线路走廊宽度，节省走廊清理费用，保护环境。

（３）采用先进、合理的构造减小铁塔钢材耗量，从而降低工程造价。

结构优化主要从以下几个方面进行［２ ３］：
（１）在结构型式上，塔身有最优的坡度。

（２）铁塔构件的布置合理、结构型式简洁，传力路线直接、简短、清晰。

（３）尽可能少用隔面，隔面要采用几何不变结构，隔面结构要合理。

（４）斜材尽可能直接连于主材，尽可能少采用节点板。

（５）合理划分节间，充分发挥构件的承载能力。

２　依据的规范、规程
ＧＢ５０５４５ ２０１０《１１０ｋＶ～７５０ｋＶ架空输电线路设计规范》
ＤＬ／Ｔ５１５４ ２０２０《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》
ＧＢ５００７ ２０１７《钢结构设计标准》
《电力工程高压送电线路设计手册》
ＤＬ／Ｔ５４４２ ２０１０《输电线路铁塔制图和构造规定》
３　优化方法
３ １　动态规划法和满应力准则法相结合的设计方法下面给出具体计算方法。

目标函数为：
Ｗ＝∑ｎ
ｋ＝１
Ｗ
ｋ
ｋ＝１，２，…，ｎ
Ｗ
ｋ
＝∑
ｍ
ｉ＝１
ｘｋ
ｉ
ｘｋ
ｉ
≥０，ｉ＝１，２，…，ｍ{ｋ（１）
式中，ｎ为子结构数；ｍ
ｋ
为第ｋ个子结构的杆件
数；ｘｋ
ｉ
为第ｋ个子结构的第ｉ杆件的截面面积。

约束函数为：
ｕ（ｌ）
ｐ
＝（ｃ（ｌ）
１
，ｃ（ｌ）
２
，…，ｃ（ｌ）
ｎｐ
），ｌ＝１，２，…，ｔ
ｗ
（２）
式中，ｎｐ为子结构连接节点数；ｌ为表示工况；
ｔ
ｗ
为工况数。

对于第ｋ（ｋ＝１，２，…，ｎ）个子结构，用满应力准则作为最优决策。

３ ２　满应力算法
（１）比例步
ｘ（０）
ｋｉ
＝ｃｋ
ｉ
，ｉ＝１，２，…，ｍ
ｋ
（３）
对（ｘ（０）
ｋ１
，ｘ（０）
ｋ２
，…，ｘ（０）
ｋｎ
，）进行各工况的有限元结构
分析，求出第ｋ个子结构各杆的最大内力Ｆ（０）
ｋｉ
，进而
计算应力比β（０）
ｋｉ，其表达式如下：
β（０）ｋｉ＝σ（０）
ｋｉ／［σｋｉ
］（４）
其中，σ（０）ｋｉ＝Ｆ（０）ｋｉ／ｘ（０）
ｋｉ。

用β（０）ｋｉ分别修改各杆的截面面积，得到ｘ（１）
ｋｉ＝β（０）ｋｉ·ｘ（０）
ｋｉ。

（
２）射线步对（ｘ（１）
ｋ１，ｘ（１）
ｋ２，…，ｘ（１）
ｋｎ，
）作各工况的有限元结构分析，求出各杆的最大内力Ｆ（１）ｋｉ，进而计算应力比β（１）ｋｉ，其表达式如下：
β（１）ｋｉ＝σ（１）
ｋｉ／［σｋｉ
］（５）
其中，σ（１）ｋｉ＝Ｆ（１）ｋｉ／ｘ（１）
ｋｉ。

找出β（１）ｍａｘ＝ｍａｘ（β（１）ｋ１，β（１）ｋ２，…，β（１）ｋｎ，）用β（１）
ｍａｘ统一修改各杆的截面面积，得ｘ（２）ｋｉ＝β（１）ｋｉ·ｘ（１）
ｋｉ。

（
３）计算Ｗｋ。

（４）以ｘ（２）
ｋｉ为初始值重复进行比例步、射线步，
即进行迭代。

（
５）迭代终止条件：若上次的Ｗｋ小于或等于下次的Ｗｋ
，则停止迭代。

３ ３　动态规划计算法
用满应力准则法确定第ｋ个子结构。

在第ｋ个和第ｋ＋１个子结构相连的节点上，把第ｋ个子结构在各种工况下的内力作为第ｋ＋１个子结构的荷载。

用满应力法确定第ｋ
＋１个子结构。

递推进行到最后一个子结构。

最后一个子结构的最优解，也就是整个杆塔的最优解。

４　铁塔材质的选用
铁塔构件应首先采用运输方便易于组装的轻型材料，国内常用的输电杆塔的构件截面形式主要有角钢
和钢管两种，这两种构件组成的塔型均有各自的特点。

４ １　角钢塔优点和不足
角钢结构是输电线路最常见的杆塔结构，相关内容的设计、实践经验也比较丰富。

综合起来角钢塔有以下优点
［４］
：
（１）积累了比较丰富的设计经验，有成熟的设计规程、规定作为设计依据；
（２）加工制造简单，焊接工作量小；（３）杆件轻；
（４）角钢市场供应充足，单价较低等。

角钢塔存在的缺点：
（１）角钢连接会产生一定的附加弯矩，会降低承载力；
（
２）截面回转半径小；（３）存在明显的最小轴，抗扭能力差；（４）风载体型系数大等。

４ ２　钢管塔的优缺点
４ ２ １　钢管塔的优越性［
５］
（１）钢管塔的风压体型系数小
杆塔受力很大一部分为风荷载导致，
圆管截面载风时，阻力系数要低于角钢截面的阻力系数。

根据ＧＢ５００９ ２０１２《建筑结构荷载规范》，钢管截面的体型系数仅为角钢的５４％，对于将大风荷载作为受控荷载的输电钢塔，采用钢管杆件可以有效减轻塔重和造价。

（
２）钢管截面回转半径大钢管和角钢相比，相同截面面积杆件的回转半径更大。

回转半径大，计算长度则小，整体稳定性大大提高。

钢管构件承载能力高，可以集多回路于一身，相比角钢塔同样的荷载可以使用较小的铁塔根开，这样线路走廊可以减少很多，大量节约用地。

截面积相当的钢管和角钢回转半径比较见表１。

表１
　钢管和角钢回转半径比较角钢规格面积／
ｃｍ
２
回转半径Ｉｊ／ｃｍ钢管规格面积／
ｃｍ
２
回转半径Ｉｇ／ｃｍ１２５×１０２４ ３７２ ４８１３３×６２３ ９４４ ５０１４０×１２３２ ５１２ ７７１５９×７３３ ４３５ ３４１６０×１２３７ ４４３ １８２０３×６３７ １３６ ９７１８０×１４４８ ９０３ ５７２６７×６４９ ２０９ ２３２００×１８
６９ ３０
３ ９４
３２５×７
６９ ９３
１１ ２５
（３）钢管截面抗扭承载力强
钢管截面和角钢截面抗扭能力对比见表２。

表２
　钢管截面和角钢截面抗扭能力对比
截面
质量／（ｋｇ／ｍ）
抗扭刚度
／ｃｍ
３
Ｌ２００×１６ ２７３×８
４９ １４５２ ２８
３ ５３８５７ ４
２Ｌ２００×１６ ５２０×８
９７ ３１０１
５ ２５３２４４ ３
４Ｌ２００×１６ ６８０×１２
１９４ ７１９７ ６９
１０ ５８２６５ ３６
４Ｌ２００×２４ ８５０×１４
２８４ ８２８８ ６４
３４ ７８１５１２０ ６２
（４）钢管塔不易结冰
由于钢管表面是圆形，内部中空相当于保温层，没有角钢那样的拐点，冰雪不易堆存，从冰冻灾害实际考察看，钢管结冰明显薄于角钢，一般是薄层覆冰，背风面略厚，由于钢管抗扭性很好，不会产生因不对称覆冰而对构件造成扭转偏心的不利影响。

（
５）钢管塔具有外形美观性合理设计的输电钢管塔节间长度比较长，辅助材料较少，节点简洁轻巧，外形整洁美观，对美化环境也有贡献。

４ ２ ２　钢管塔的局限性
目前国内仅有少数几家电力设计单位结合工程对格构式钢管塔进行了初步的试验研究。

工程中一般将其应用在大跨越等受力非常大的地方，应用比较有限。

钢管塔的推广应用还存在一些制约因素：
（１）设计和加工较复杂；
（
２）塔材单价较高，钢管的市场单价大约是角钢的１
２～１ ３倍。

５　铁塔节点构造设计及优化
铁塔是由成千上万个杆件通过节点连接构成的，节点的强度、刚度、韧性及协调可靠性直接影响到铁塔的安全。

在输电线路运行当中常有因铁塔节点设计不合理而倒塔的事故发生，在铁塔试验中也验证了铁塔节点的重要性。

所以铁塔节点的优化设计是铁塔设计中的关键环节。

节点设计主要遵循的原则有：受力模型简单；各构件轴线尽量交于一点，以符合计算假定；减小杆件连接偏心，避免节点板受弯［６］。

５ １　斜材与主材连接
斜材与主材连接时，应尽量减小杆件的负端距，力求节点紧凑，保证节点的强度和刚度。

杆件原始长细比为Ｌ
／ｒ，且有１１０＜Ｌ／ｒ＜２３０，杆件端部的约束情况会影响长细比的修正系数，详见表３。

表３
　长细比修正系数表长细比λ
端部约束条件长细比修正系数
１１０＜Ｌ／ｒ＜２３０
两端无约束
１
一端无约束一端有约束
０ ９０＋１１ ８９／（Ｌ／ｒ）两端有约束
０ ８２＋２１ ６４／（Ｌ／ｒ）
长细比λ越大，杆件稳定性就越差。

塔身斜材的原始长细比Ｌ／ｒ基本都在１１０～２３０之间。

应该注意的是对于组合截面，
斜材与主材连接时应充分考虑斜材传力的整体性，保证每根主材受力均匀。

通过对本工程分析总结，列出不同连接方式的优缺点，比较见表４。

５ ２　主材接头连接
主材接头的形式直接影响到主材的承载能力，主
材的计算长细比按下列公式计算：
λ０
＝Ｋλ＝ＫＬ０
ｒ
（６）
式中，λ０
、λ分别为主材的计算长细比和实际长细比；Ｋ为长细比修正系数；Ｌ０、ｒ分别为主材的计算长度和回转半径。

长细比修正系数Ｋ按表５进行计算。

表４
　斜材与主材连接方式比较
方案
连接方式一
连接方式二
节
点简图
优点 斜材于主材上交于两心，端部约束性好。

斜材于主材上交于一心，加工相对简单。

缺点
塔厂加工稍复杂
需增加联板
节点简图
优点
斜材内力通过连接板传到两根主材上，联板兼起了缀板作用，结构紧凑。

缺点
斜材内力先传到单材上，再通过缀板传到另一主材上，节点处实质是单材连接。

结论优于连接方式二
表５
　长细比修正系数Ｋ计算杆件端部受力状态长细比长细比修正系数
两端中心受压
０＜Ｌ０／ｒ＜１２０１ ０
一端中心受压，一端偏心受压
０＜Ｌ０／ｒ＜１２００ ７５＋３０／（Ｌ０／ｒ）两端偏心受压
０﹤Ｌ０／
ｒ＜１２００ ５０＋６０／（Ｌ０／
ｒ） 铁塔主材长细比多在５０～１００之间，根据表５可以分析出：单面连接情况下长细比修正系数Ｋ必为一大于１的数值，从而导致主材的计算长细比增大，轴心受压稳定系数减小，主材承载能力降低。

根据试验统计，两端单面连接的主材承载能力一般是两端双面连接的０
７～０ ８倍，主材的承载能力得不到充分发挥，造成主材强度的浪费。

因此，铁塔主材应尽量采用双面连接。

另外，在满足接头刚度的前提下，尽量减小接头尺寸。

主材最小接头长度一般由以下两个条件控制：
（
１）主材接头螺栓每段不少于６个；（２）主材每端被包长度不应小于主材肢宽的
１ ５倍。

在满足上述两个条件的情况下，主材接头尽量采用多排螺栓布置和双剪连接，以减小接头包角钢和联板的尺寸。

６　积极采用高强钢
国内架空输电线路杆塔通常采用Ｑ２３５碳素钢和Ｑ３４５合金钢，与国外先进水平（Ｑ４５０及以上）相比，强度偏低、杆塔用钢量偏大，既增加了资源的浪费又增加了建设投资，而采用高强度钢可以有效降低塔重，减少整体投资。

近年来Ｑ４２０钢也已在７５０ｋＶ和１０００ｋＶ特高压输电线路中开始使用，充分表明了在输电线路中采用高强度结构钢是经济可行的。

（１）对塔主材多为强度控制且为大规格单角钢（肢宽大于１２５ｍｍ、肢厚大于１０ｍｍ）或双角钢、四拼角钢的杆塔，宜采用高强钢方案；
（２）对使用普通单角钢（肢宽小于１２５ｍｍ、肢厚小于１０ｍｍ）就可满足承载力要求的杆塔，不宜采用高强钢。

（３）构件长细比在８０以下采用高强钢具有明显优势。

（４）Ｑ３９０钢在受压稳定控制的构件中不建议采用，其减低塔重的空间不大，经济性较Ｑ４２０、Ｑ４６０钢差。

７　结束语
杆塔是支撑输电线路的重要环节之一，其造价要占工程本体投资的３０％以上，杆塔的优化是输电线路设计中重要的环节之一，本文给出了输电线路杆塔优化设计的几点可行的思路，实用性及适用性较强。

参考文献
［１］　路遥．浅析输电线路杆塔结构的优化［Ｊ］．电力设备，２０１７，１（３３）：４．
［２］　朱鸿斌．输电线路铁塔结构设计优化探讨［Ｊ］．中国高新技术企业，２０１７（３）：１３９ １４０．
［３］　方成．浅谈输电线路铁塔结构设计［Ｊ］．中国建材科技，２０１５（８）：２．
［４］　黄志庆．基于动态规划法和应力准则法的对铁塔优化设计［Ｊ］．中国高新技术企业，２０１４（１）：２３
２４．
［５］　康玥，王学明，沈巍巍，齐浩．１０００ｋＶ单回路紧凑型输电铁塔优化设计［Ｊ］．特种结构，２０１５，３２
（４）：２７ ３２．
［６］　谢广采．城区２２０ｋＶ输电线路窄基钢管塔规划与设计［Ｊ］．山东电力技术，２０１４（Ｚ１）：６９ ７３．
（收稿日期：２０２２ ０５ ２６）。