输电线路铁塔结构设计技术的要点

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【摘 要】黄韩候铁路（陕西段）供电工程110kV南蔡变～七峰牵引变输电线路，起始于110kV南蔡变，终止于七峰牵变，新建单回架空线路长约18.5km，航空长度13.9km， 线路曲折系数1.331。通过设计路径优化后，推荐线路长度为17.5km（含1km裕度），线路曲折系数1.259。全线平地占60%，丘陵占40%，海拔高度489～715m。共用铁塔50基，其中直线塔38基；终端塔2基，转角塔10基，直线塔占总基数的76%，转角塔总基数的24%，平均档距357m。

【关键词】设计；要点；参数

1 铁塔设计参数

1.1 导、地线风压高度系数

对于铁塔的不同呼称高，导线、地线的悬点高度不同，一般按照下图导线、地线的平均高度取定风压高度系数。

但是对于不同高差下的导线，其风压高度系数取值按照下图：

1.2 铁塔风荷载计算分段

影响一个工程杆塔的技术指标主要在于直线塔。对一般线路来讲，直线塔总是占多数的，经过对本标段初步排位结果的分析，直线塔数量占全部杆塔总数量的80 %以上，因此直线塔的规划尤其重要。

对于直线塔来说，杆塔指标主要由风荷载控制，而风荷载的计算在风速、导地线型式确定的情况下主要与高度有关。铁塔风荷载计算按如下公式。

导地线风荷载

塔身风荷载

以上公式中对塔身风荷载使用了调整系数（βz），这个系数因不同的铁塔全高而不同，铁塔越低βz越小，铁塔塔身所受的风压值就越小；反之，铁塔越高βz越大，塔身所受的风压值就越大。可见杆塔计算高度的选取直接影响杆塔风荷载的大小，从而影响杆塔的指标。对同一塔型的不同呼高，尽管可以按不同呼高选取不同的高度系数分别计算，但塔头及公共部分的塔身仍由最高呼高的荷载控制。因此，直线塔塔型规划时最低呼高与最高呼高相差越大，塔材指标越不经济。

2 铁塔材料

钢材材质为现行国家标准《碳素结构纲》GB/T 700中规定的Q235系列、《低合金高强度结构钢》GB/T 1591中规定的Q345系列。按实际使用条件确定钢材级别。

钢材的强度设计值（N/mm2）

钢材 抗拉、抗压和抗剪

f 抗剪

fv

牌号 厚度或直径（mm）

Q235钢 ≤16 215 125

>16～40 205 120

>40～60 200 115

>60～100 190 110

Q345钢 ≤16 310 180

>16～35 295 170

>35～50 265 155

>50～100 250 145

螺栓和螺母的材质及其特性应分别符合现行规范《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》和《紧固件机械性能螺母》的规定。

螺栓的强度设计值（N/mm2）

螺栓分类 等级 抗拉 抗剪

镀锌粗制螺栓

（C级） 4.8 200 170

5.8 240 210

6.8 300 240

8.8 400 300

锚拴 Q235 160

35号优质碳素钢 190

45号优质碳素钢 215

角钢的材质应根据具体杆件的受力特点及控制条件合理选用，对长细比控制及强度得不到充分使用的杆件应尽量采用较低强度等级的钢材，对拉杆、主材等主要受强度控制的杆件应尽量采用高强度钢材。

3 塔腿设计

本线路平原地带，地形起伏不大，地势平坦，塔腿高差一般不大于1.0米，塔腿按等长腿设计可满足环保要求。

丘陵地段，地形上存在一定的高差，为保护环境，减少土石方开挖，防止水土流失，本通用设计在山地塔系列中采用了全方位长短腿，配合长短柱基础使用。

长短腿组合时，增加长短腿高差可以更好地适合山地地形，但也增加了长腿与短腿的刚度差。当采用长短腿最大高差为3.0m、级差为1.0m进行组合时，与等长腿铁塔的重量相比增加约1%～1.5%。

由于110kV铁塔根开较小，使用长短腿时，应评估地基的稳定性，尽量降低塔腿高差，避免最长腿和最短腿的组合。较低呼称高时，高低塔脚高差不宜超过2.0m。

长短腿铁塔与高低基础配合使用的设计方案，可大大减少线路土石方量，保护沿线的植被环境，更减少对原状山体的破坏，防止水土流失，有利于基础稳定和线路长期安全的运行，其取得的经济效益和社会效益不可估量。

4 铁塔抗灾设计

我们在工程选择路径时，通过详细的现场踏勘和资料搜集，可靠掌握沿线地质、水文气象条件，多方案比较，使线路尽量避开不良地质区域（如矿区采空区、大型滑坡区、塌方区、泥石流区等）、气象条件恶劣区域（如强风区、重覆冰区等）。路径选择时，既考虑到施工运行交通方便，又合理的对重要运输通道进行了避让；当线路不可避免与重要的交通运输干线发生交叉跨越时，则合理的选择跨越位置，并对线路采取了加强措施。

为提高线路抗灾能力，减小各类自然灾害对本工程线路的影响，我们在兼顾工程造价经济合理和施工、运行方便等多方面要求基础上，着重对线路的安全性进行了调查、分析和论证，主要从以下几个方面着手：

5 铁塔的抗风

风沙灾害对输电线路的危害主要表现为风的因素，为了提高线路抵抗大风灾害的能力，根据2008年初南方冰灾后修订的设计规范，对本工程设计风速的选取，按30年重现期考虑。确定基本风速时，按当地气象台、站10min时距平均年最大风速为样本，采用极值I型分布作为概率模型。统计风速高度取离地l0m。

根据本工程线路沿线各气象台站的记录数据，采用上述原则统计计算得到本工程沿线30年一遇、10m高最大风速为23.4m/s。

在实际应用中，我们将风速换算至线路上15m高，换算后风速取值为25m/s。随后在计算铁塔荷载时，我们将计算风速根据铁塔实际计算高度再一次换算，风速得到了进一步提高。通过以上措施，本工程线路具备足够的抗风灾能力。

6 铁塔的防舞

所谓”易舞区”是指架空输电线路舞动易发地区，这些地区一般是雨凇带易发地区，架空输电线路冬季易覆冰，并且风力较强，冬季主导风向的夹角与线路走向的夹角较大（一般大于45°），具备导线发生舞动的条件。同样是易舞区，由于气象及地形条件会有较大的差别，以及受微地形和微气象影响，线路发生舞动的可能性及舞动强度会有很大的差别，必须根据舞动发生的（可能）强度对易舞区按强弱等级进行合理划分。

（1）选择路径时加强对线路沿线舞动微气象、微地形区域的勘测和调查，尽量避免路径横穿风口、垭口等微气象、微地形地带。

（2）在平原开阔地带，应尽可能避免线路走向与冬季主导风向夹角过大，一般小于45度为宜。

（3）在舞动区段内，可适当缩小档距，降低杆塔高度。

（4）线路跨越主干铁路、高速公路等重要跨越段宜采用耐直直耐跨越方式，临近被跨越物的杆塔宜采用直线塔。

（5）杆塔（横担）设计时宜增加舞动校验工况组合（组合系取0.9）

（6）本工程导线均采用单回路水平布置方式。

（7）耐张塔横担上平面斜材应布置成可传递水平力结构。耐张塔横担与塔身结合部应局部加强。提高挂点强度进一步加强。

（8）对重要节点如导地线挂点、横担与塔身连接处的实际连接螺栓数量宜比计算值增加2-3个。受力材的连接螺栓应不少于2个。螺栓直径不宜小于16mm，螺栓级别不低于6.8级。

（9）所有杆塔均采用防松措施

对舞动区耐张塔、紧邻耐张塔的直线塔、重要交叉跨越塔除安装防卸螺栓外的其他螺栓应采取相应的措施。

7 铁塔的抗冰

线路覆冰厚度的选取，直接影响着铁塔重量的多少，因而对于送电线路设计的线路工程造价影响很大；同时它也作为线路设计的重要组成部分，对线路工程的安全运行起着举足轻重的作用。

线路覆冰是自然界发生的一种分布相当广泛的天气现象。本工程线路地处西北地区干旱、半干旱气候区，降水稀少，空气湿度相对较低，针对本线路工程所处地理位置，线路沿线的地形、地貌以及气象条件，会有覆冰发生，但不会严重。考虑到本工程线路的重要性，对线路所经地区的覆冰情况，仍应作详细调查和分析。

通过对现场的实际调查，本工程线路沿线电力线路虽然有过覆冰现象发生，但覆冰厚度很小，一般不超过5mm，多数情况下为雨凇、雾凇；而且与本工程线路处在同一区域的110kV线路，设计覆冰厚度均不超过5mm，至今为止未发生覆冰断线倒塔事故，由此表明，本线路所经地区为轻覆冰区，发生严重覆冰灾害的可能性极小。

通过采取以上措施，有效提高了线路抗覆冰灾害的能力。

8 结论

（1）根据本工程的地形条件，全部采用自立式铁塔，而不采用拉线塔。

（2）直线塔采用猫头塔，三相全部采用I串。

（3）铁塔设计时，对塔头型式、塔身坡度、塔身断面、塔身宽度、铁塔根开、主材节长、斜材布置、节点构造、塔腿型式、铁塔材料、横隔面设置等进行优化。优化成果有：所有耐张塔塔身采用二次坡，并选最优组合，以压缩线路走廊；根开选择最小塔重，并结合沿线地形特点选择；塔身全部采用正方形断面，提高铁塔刚度；平地按等长腿设计，丘陵按全方位长短腿设计，级差1.0m；一般塔材采用Q235，L63×5及以上角钢规格采用Q345钢材。

（4）在铁塔设计中，安风荷载大小选取铁塔计算高度，对跨越塔单独设计，不与其它塔型组合。

（5）本设计已对铁塔抗冰、抗风、防风舞、跨河和抗震进行了考虑，并根据实际需要采取了相应的加强措施。

参考文献：

[1]《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）.

[2]输电线路铁塔优化设计介绍.广东电力，1997.