输电线路中钢管塔在结构力学性能上的优越性

输电线路中钢管塔在结构力学性能上的优越性

发表时间：2019-03-29T15:51:53.143Z 来源：《电力设备》2018年第29期作者：赵颖

[导读] 摘要：随着我国超高压、特高压输电线路的发展建设，输电线路的支撑结构和变电构架的承载越来越大，铁塔及变电构架的大型化是一个不可避免的发展趋势，而钢管塔架具有承受载荷大、整体稳定性好、能减小铁塔根开从而减小占地面积等优点，开展钢管塔的力学分析计算和构造的研究，对于电网建设有很强的技术进步意义和显著的经济效益。

（合肥明志电力工程有限公司安徽合肥 230071）

摘要：随着我国超高压、特高压输电线路的发展建设，输电线路的支撑结构和变电构架的承载越来越大，铁塔及变电构架的大型化是一个不可避免的发展趋势，而钢管塔架具有承受载荷大、整体稳定性好、能减小铁塔根开从而减小占地面积等优点，开展钢管塔的力学分析计算和构造的研究，对于电网建设有很强的技术进步意义和显著的经济效益。

关键词：输电线路；钢管塔在结构力学性能；优越性；

近年来，为了减少输电线路的能耗和提高电网的输送容量，特高压输电线路的应用越来越广泛。与角钢输电塔相比，钢管输电塔的力学性能和抗风性能更为卓越，被广泛应用于特高压和大跨越输电线路中。在钢管塔节点连接设计中，钢管，板连接节点较为常见，其力学性能尤其是结构强度的稳定性直接影响到此类输电塔的安全。

一、发展情况

大跨越塔型按其结构类型分类主要有钢筋混凝土结构、组合角钢格构式结构、焊接钢板格构式结构和钢管结构等。他们都有其优势及特色，在工程实践和设计上均有经验。作为第一座钢筋混凝土结构的输电路线高塔的皖中裕溪口钢筋混凝土烟囱塔，就是在1957 年设计以及实践的成功范例，而且在1990 年设计出当时世界上最高的南京大胜关跨越塔也是采用钢筋混凝土结构并成功运行。组合角钢格构式结构输电线路塔典型代表，有徐上线镇江大跨越塔和珠江大跨越塔。焊接钢板格构式结构输电线路塔的典型代表即有华东院设计的江阴大跨越塔，为解决当时高塔荷载内力问题，采用了厚度65mm 的钢板，成为选材上一个新思路。钢管结构在1974 年第一次将钢管结构用于大型输电塔并完成设计实践。因此，现在越来越多的大跨越输电线路铁塔采用钢管结构，不仅在设计领域中占据着越来越重要的位置，而且为我国设计院设计输电线路大跨越工程的首选模式。输电线路大跨越钢管塔，结合了钢管结构并且使用了高强度钢材。钢管结构模式不仅应用于输电线路大跨越塔，而且国内外的电视塔、通信塔、导航塔等也应用到了钢管结构模式。

二、输电线路中钢管塔在结构力学性能上的优越性

1.杆塔可靠度。结构在规定的时间内、规定的条件下,完成预定功能的能力, 称为结构的可靠性。建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三项要求。结构可靠度是结构可靠性的概率度量,其定义为：结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率,其“规定的时间”是指设计基准期50年,这个基准期只是在计算可靠度时,考虑各项基本变量的统计参数与时间关系所用的基准时间,并非指建筑结构的寿命；规定的条件则指正常设计、正常施工及正常使用的条件,不考虑人为过失的影响；“预定的功能”是指能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力(即安全性), 在正常使用时具有良好的工作性能(即适用性), 在正常维护下具有足够的耐久性能(即耐久性)。由理论分析可知, 对于按一定规范设计或加固的结构, 结构的可靠度与结构的永久荷载效应和可变荷载效应的具体值无关,而只与其比值有关。根据目前国际上通用的可靠度算法,在杆塔构件可靠度与可变荷载和永久荷载的具体值无关,而只与其比值有关的前提下,用验算点法计算了涯门大跨越塔杆塔结构构件的可靠度,其可靠度指标低于按我国现行结构可靠度标准中安全等级建筑的延性构件的目标可靠度指标。

2.钢管塔的载荷情况。钢管杆塔荷载包括永久荷载和可变荷载两类。永久荷载在结构使用期间，其值不随时间变化，或者变化与平均值相比可忽略不计其荷载。对于钢管塔杆结构，杆身自重、导地线、绝缘子及其附件的重力荷载等均为永久荷载；可变荷载在结构使用期间，其值随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略其荷载。对于钢管塔杆结构，风荷载、覆冰荷载、导地线张力荷载、安装检修时的附加荷载等均为可变荷载。将永久荷载和可变荷载进行组合可以得到多种荷载组合。根据不同地形地貌和气候情况，对所处的杆塔受力分析，载荷情况也不一样；对于温度较低，有覆冰地带的杆塔，应考虑各种载荷相互组合的情况，计算出相应的铁塔要求等级。

3．钢管塔连接方式。实际工程中，钢管塔中的钢管多是通过节点板和螺栓进行连接，钢管的约束条件与理论计算所假定的不完全一致。钢管构架中钢管的可能连接型式有以下四种：T型接头(即无加劲肋的单板接头)、I型接头、[型(槽型)接头和U型接头。各种接头的实际稳定系数有一定差别，T型、[型、U型接头试件中U型试件的承载力稍高，是因为U型连接试件无构造偏心。U型接头构件的连接螺栓为双剪，连接螺栓数量可减少，但U型连接构件加工相对复杂，I型接头稳定性较差，一般不推荐使用。输电线路钢管结构中主材常用的节点形式主要有主材和斜材连接、横杆和主材连接两种。而斜材与辅助材主要有交叉斜材、斜材与横材、斜材与辅助材、交叉斜材与横材四种常用节点形式。节点形式的计算要符合《钢结构设计规范》的计算公式，同时满足适用范围、边界条件。钢管塔的节点连接设计根据杆塔构件的结构部位、受力大小和构造要求，有以下节点连接方式：法兰连接、“U”型插板连接、“T”型插板连接等。为解决结构内力、结构构造和加工制造、施工安装中的矛盾，因此，选择节点连接的方式既要保证结构受力稳固又要方便钢管塔的安装和加工。在连接设计中优先选择市场上反映较好、业绩较好的厂家生产的螺栓。

三、应用分析

1.钢管塔的构造要求。钢管塔的结构简单，但节点的连接较为复杂。因为要分析和处理节点的受力问题，则需要注意对模型进行合理的计算。在钢管塔的构造设计的时候，需要考虑创造安装条件以便安装作业完成。比如在主材和斜材上增设登塔脚钉、在横材上加装水平走动扶手用的拉索、在杆件上增设吊孔等等，都要在施工图上来体现。

2.管理与维护。输电线路铁塔不仅是电网的重要组成部分，而且是输送和分配电能的载体，电网系统就是由几个电网连接起来形成的。电网故障很大的一部分原因就是输电线塔的故障，因此，维护和管理输电线路铁塔工作是保障电力能够正常安全运行的关键。随着社会科技的发展以及新型科学材料不断创新，对输电线路铁塔的维护与管理有着积极深刻的影响。过去的维护方法缺乏针对性，往往只能事后补救、抢修，毫无做到事前预警。目前，要求设计人员在设计方面提升输电线路大跨越钢管铁塔的稳定性，还有对输电铁塔有限元计算建模方法结合设计从而实现输电线路铁塔的安全稳定。如何做到事前预警？则是以设计规范为依据，根据在线检测数据，通过相关科技平台对输电线路铁塔整体工程进行准确的评估，并且制定有效的防范措施和实施方案从而保证输电线铁塔的正常安全运行。输电线路铁塔是电网的重要组成部分，是供电系统的重要构成。输电线路监测的主要内容，就是评估输电塔的安全运行情况。

钢管杆塔的应用不仅能减少输电线路中的用地面积，而且结构的力学性能有很大的提高，局部的力学仿真分析也更容易实现，钢管塔