张 斌

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原030001）

1 塔身、塔腿坡度优化

双回路伞型塔的塔头立柱（塔头段塔身）呈锥型布置［1］，变形协调，受力合理、外形美观。但坡度优化易受电气间隙圆控制，导致横担长度的改变而影响整个塔头几何尺寸的变化。塔头以下塔身段的优化，同样也会影响塔腿根开和基础作用力的变化，甚至影响到基础的耗量和造价。因此，对塔头立柱和塔身的坡度优化解需综合优选对比。

塔头立柱和塔身坡度受塔头顶部开口、变坡口宽度和塔腿根开控制。塔身变坡口宽度值的大小不仅将同时影响塔头立柱与塔身结构，此外还可能受电气间隙圆的影响，导致下横担长度发生变化。则令变坡口宽度以电气间隙圆受控宽度为定值，分别对塔头立柱和塔身坡度进行优化，其均存在一优化解。结果如下：

2.1 塔头立柱坡度优化

以变坡口宽度为定值。塔头立柱顶部开口为变量，选择下表5个方案。

表1

以上计算表明：塔头顶部开口宽度取4.0米最为经济。

2.2 塔腿根开优化

塔腿坡度优化如表2所示（单位：m）：

表1

注：表中电算重量系Q235、Q345材质构件组成。

根据表中优化结果：变坡口开口取6.7m；塔身单侧坡度取0.11时，塔材耗量适中，且基础作用力比较合适。

2 塔身布置优化

2.1 塔身节间布置优化

塔身段主材节间长度布置是否合理要看主材能否充分发挥其材料特性。因为承载能力与主材的长度、截面面积及材料屈服点有关。当主材由强度控制时，主材选取的截面面积（规格）与其所承担的内力成正比，内力愈大，选取截面面积愈大。当主材由稳定控制时，主材规格的选取则不仅与其所承担的内力有关，还与主材本身的长度有关，内力不变时，构件的长度越长，所需规格越大；而长度不变时，内力越大，所需规格也越大。因此，当外荷载一定时，构件计算长度确定合适与否会严重影响其截面的选择，直接影响塔重。

最佳的主材计算长度就是主材的强度与稳定相当时的计算长度（即临界长度）。钢材的设计强度越大则临界长度越小，即Q420钢种比Q345钢种的临界长度要小。角钢肢宽在140～160的主材，当采用Q345时，最小轴布置的计算长度取 1.3～1.4m 最合适，而当采用 Q420时，最小轴布置的计算长度取1.2～1.25m最合适；对于角钢肢宽在 180～200的主材，当采用Q345时，最小轴布置的计算长度取1.6～1.65m最合适，而当采用Q420时，最小轴布置的计算长度取 1.45～1.50m 最合适。

节间长度的确定还受塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制约，同时应考虑到节间长度对斜材、辅助材的影响以及腹杆布置形式对主材的内力影响。通过采取以设计经验，塔身段采用三个对比方案如下：

第一、第二方案节间数相等，基本相似。第一方案顶部和底部节间采用K型和倒K型布置，减少了横隔与塔身汇交点杆件；第二方案底倒K型布置，横隔面布置位置比第一方案靠下；第三方案系大节间布置方案，斜材数量较少，但杆件长、规格大。三方案对塔材耗量的影响见表3所示：

表3

经节间优化和斜材布置对比。本塔塔身段节间组合采用方案1，节间不等长布置，结构布局较合理、塔材耗量最轻，便于各呼称高塔身、塔腿段衔接。

可见虽然很难理想地使主材长度达到按稳定计算的承载力等于按强度计算的承载力，但利用此长度作为拟定节间长度的参考值，通过对杆件布置形式、节间长度的进一步优化，是能够降低部分塔重的。

2.2 塔身斜材、辅助材布置优化

塔身主要受力斜材约占塔身部分重量的50%，占全塔总重的30%左右。塔身斜材的布置是否合适，直接影响到塔重和工程造价。

塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正K型”、“倒K型”等布置，单一的交叉布置型式容易使斜材产生同时受压，几种方式组合布置可以避免同时受压的发生，使斜材受力成为拉压系统，充分利用拉压系统的受力特性，可减小斜材规格，降低塔重。常用的塔身交叉斜材布置方式有单分式（如图1的型式一）和再分式（如图1的型式二～型式四）：

图1 布置型式图

无论采取哪种斜材布置方式，最主要的问题就是斜材与水平面的夹角α的大小，α的大小直接决定了斜材的受力大小，α越大，斜材抗外荷载的力距越小，斜材受力就越大，斜材规格也越大；反之，α越小，斜材抗外荷载的力距则越大，斜材受力就越小，斜材规格也越小，但斜材数量就越多。根据±800kV线路荷载及计算情况，并结合500kV线路铁塔斜材布置的经验，通过计算，当斜材与水平面的夹角α控制在 35°～45°之间时，塔重最轻。

3 杆塔塔身隔面优化

在杆塔设计中合理的设置塔身横隔面，可有效地增加结构的抗扭刚度，传递由结构上部外荷产生的扭力，同时能具有一定的均匀塔身构件内力的作用，降低塔重。一般，对于塔身变坡处，集中荷载受力处等位置必须设置受力隔面。

隔面的型式通过以往工程的经验积累和不断优化，许多已经成为了典型隔面型式（见图2）。

根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［2］（DL/T5154-2012）第10章“构造要求”规定，对于塔身坡度不变段内，“横隔面设置的间距，一般不大于平均宽度（宽面）的5倍，也不宜大于4个主材分段”。根据以往工程经验和工程的特点，隔面设置不宜间隔太大，为加强塔身抗扭的能力，宜按照3个主材分段长度设置一个隔面，以保持结构的外型尺寸不出现鼓突的情况。

根据以往工程经验，对横隔面型式的优化配置的原则是：对钢管塔或角钢塔头部或塔身截面尺寸较小的部位，主要采用（a）、（b）、（c）及（d）型式，对于塔身截面尺寸较大的部位则主要采用（e）、（f）及（g）型式。

图2 常见隔面型式图

4 长短腿配置优化

采用长短腿设计是保护线路环境的最有效手段。长短腿能适应各种复杂的塔位地形，配合高低基础的使用，不但能大大减少了土石方工程量、缩短工期、降低施工难度，而且也可最大限度地保护自然生态环境。

4.1 山地塔长短腿优化设计

500 kV线路直线塔的传统接腿模式为“过渡段”方式的公用腿式，这种方式的优点就是当塔腿主材规格相同时，接腿可在不同呼称高上互换，但该方式接身部位传力路线复杂，隔面较多，塔重较重。塔腿直接与身部相连的非公用腿模式可减轻塔重2%～4%左右，但设计工作量显著加大。

图3 常见塔腿布置方式示意图

长短腿组合时，增加长短腿级差可以更好的适合山区陡坡地形，但随着级差的增大，也增加了长腿与短腿的刚度差，从而导致塔重增加。这是因为长腿和短腿的刚度不同和根开不同造成内力分配存在差异，导致铁塔部分构件规格的变化而引起塔重的变化。通过测算表明，长短腿级差若控制在7.0m左右时（可适应30°的地形坡度），塔重增幅为1.0%～2%，长短腿级差按最大限度进行设计（11.0m级差，可适应45°的陡坡地形），塔重增幅达到2%～3%。

4.2 平丘地区塔腿设计优化

平丘塔减腿较少，最多设计成4个减腿，即 0.0m、-1.0m、-2.0m、-3.0m，减腿的增加对身部主材、腿部主材及斜材设计内力的增加不显著（5%左右），不会对其角钢规格及铁塔安全造成影响。

图4 山地平丘铁塔塔腿比较示意图

在基本不影响塔重的情况下，将平丘系列塔型考虑按照最大级差3.0m设计，再配合高低主柱基础，已能适应平丘地区地形变化，达到工程不降或少降基面、保护自然生态环境的目的。