系列講座2-高壓輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設計

桿塔型式及分類架空輸電線路使用的鐵塔，按使用功能可分為直線塔、轉(zhuǎn)角塔、終端塔及換位、分歧等特種塔?！本€塔是將導線提離地面的塔，又可分為自立塔和拉線塔兩種基本型式。自立塔常用的有酒杯型、貓頭型、鼓型、干字型等，拉線塔過去常用的則有拉八、拉V、拉門、拉貓型塔?！D(zhuǎn)角塔是付與導線以張力的塔，大部是干字型、鼓型塔?！K端塔——換位、分歧等特種塔。直線塔(酒杯型塔)北京8回500kV輸電線路進順義變直線塔(貓頭型塔)直線塔(鼓型塔)直線塔(干字型塔)直線塔(門型塔)直線塔(門型塔)直線塔(拉V型塔)直線塔(緊湊型塔)轉(zhuǎn)角塔終端塔塔型設計的步驟：——確認或選擇氣象條件，導、地線牌號；——依據(jù)給出的塔型規(guī)劃或根據(jù)電壓等級及路徑條件規(guī)劃塔型；——絕緣配合；——繪制電氣間隙圓、提出負荷條件；——根據(jù)電氣間隙圓規(guī)劃設計塔頭；——根據(jù)塔型規(guī)劃完成整塔選型單線圖（包含各種呼稱高）；——進行負荷組合；——按鐵塔計算軟件要求輸入計算塔型的所有參數(shù)；——依據(jù)塔型計算結(jié)果繪制司令圖；——依據(jù)司令圖完成結(jié)構(gòu)圖。

輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析完全基于經(jīng)典力學，即《理論力學》、《結(jié)構(gòu)力學》、《材料力學》三門力學的基礎上來進行的。因此，輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)，被看成由理想的鉸接桿件組成的空間塔架結(jié)構(gòu)。1輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)計算常用的力學概念知識

1）理論力學——靜力學公理

1、二力平衡公理：作用在剛體上的二力使剛體平衡的充要條件是：大小相等、方向相反、作用在一條直線上

2、加減平衡力系公理：在作用于剛體的已知力系中加上或減去任何平衡力系，并不改變原力系對剛體的效應。

3、力的平行四邊形法則：作用于物體上某一點的兩力，可以合成為一個合力，合力亦作用于該點上，合力的大小和方向可由這兩個力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線確定。

4、作用力與反作用力定律：兩物體間的相互作用力總是大小相等、方向相反，沿同一直線，分別作用在兩個物體上。

靜力學是從公元前三世紀開始發(fā)展，到公元16世紀伽利略奠定動力學基礎為止。人們在使用簡單的工具和機械的基礎上，逐漸總結(jié)出力學的概念和公理。例如，從滑輪和杠桿得出力矩的概念；從斜面得出力的平行四邊形法則等。

阿基米德是使靜力學成為一門真正科學的奠基者。在他的關于平面圖形的平衡和重心的著作中，創(chuàng)立了杠桿理論，并且奠定了靜力學的主要原理。阿基米德得出的杠桿平衡條件是：若杠桿兩臂的長度同其上的物體的重量成反比，則此二物體必處于平衡狀態(tài)。阿基米德是第一個使用嚴密推理來求出平行四邊形、三角形和梯形物體的重心位置的人。

著名的意大利藝術家、物理學家和工程師達·芬奇是文藝復興時期首先跳出中世紀煩瑣科學的人，他認為實驗和運用數(shù)學解決力學問題有巨大意義。他應用力矩法解釋了滑輪的工作原理；應用虛位移原理的概念來分析起重機構(gòu)中的滑輪和杠桿系統(tǒng)。

對物體在斜面上的力學問題的研究，最有功績的是斯蒂文，他得出并論證了力的平行四邊形法則。靜力學一直到伐里農(nóng)提出了著名的伐里農(nóng)定理后才完備起來。他和潘索多邊形原理是圖解靜力學的基礎。

分析靜力學是意大利數(shù)學家、力學家J．L．拉格朗日提出來的，他在大型著作《分析力學》中，根據(jù)虛位移原理，用嚴格的分析方法敘述了整個力學理論。虛位移原理早在1717年已由伯努利指出，而應用這個原理解決力學問題的方法的進一步發(fā)展和對它的數(shù)學研究卻是拉格朗日的功績。

我國古代科學家對靜力學有著重大的貢獻．春秋戰(zhàn)國時期偉大的哲學家墨子（墨翟）在他的代表作《墨經(jīng)》中，對杠桿、輪軸和斜面作了分析，并明確指出“衡……長重者下，短輕者上”，提出了杠桿的平衡原理。

靜力學的基本物理量有三個：力、力偶、力矩。

靜力學的基本物理量有三個：力、力偶、力矩。力的概念是靜力學的基本概念之一。經(jīng)驗證明，力對已知物體的作用效果決定于：力的大小(即力的強度)；力的方向；力的作用點。通常稱它們?yōu)榱Φ娜?。力的三要素可以用一個有向的線段即矢量表示。凡大小相等方向相反且作用線不在一直線上的兩個力稱為力偶，它是一個自由矢量，其大小為力乘以二力作用線間的距離，即力臂。靜力學只研究最簡單的運動狀態(tài)——平衡。靜力學的全部內(nèi)容是以幾條公理為基礎推理出來的。這些公理是人類在長期的生產(chǎn)實踐中積累起來的關于力的知識的總結(jié)，它反映了作用在剛體上的力的最簡單最基本的屬性，這些公理的正確性是可以通過實驗來驗證的。靜力學的研究方法有兩種：一種是幾何的方法，稱為幾何靜力學或稱初等靜力學；另一種是分析方法，稱為分析靜力學。幾何靜力學可以用解析法，即通過平衡條件式用代數(shù)的方法求解未知約束反作用力；也可以用圖解法，即以力的多邊形原理，用幾何作圖的方法來研究靜力學問題。2）結(jié)構(gòu)力學截面法節(jié)點法

3）材料力學軸心受力構(gòu)件壓桿軸向壓力/(穩(wěn)定系數(shù)×面積)≦強度設計值拉桿軸向拉力/凈面積≦強度設計值塔架的計算塔架特點：由直桿用鉸鏈聯(lián)接而成，在結(jié)點荷載作用下，各桿只有軸力。

1）結(jié)點法取結(jié)點為分離體――平面匯交力系

求解方法：（1）求解支座反力，零桿判斷；因幾何組成的不同而不一定是必須的，零桿判定后，可以大大簡化求解。（2）再選取只含二個未知力的結(jié)點。順次取二個未知力的結(jié)點分離體可求解每個桿的內(nèi)力。（3）結(jié)點分離體中，未知軸力設為拉力（正），結(jié)果為負時表示與所設方向相反。已知力一般按實際方向畫，標注其數(shù)值的絕對值，則平衡方程建立時看圖確定其正負。零桿的判斷：三角構(gòu)造內(nèi)的輔助性桿件都是零桿。（如圖所示）2）截面法用截面切斷擬求構(gòu)件，取交叉斜材的交叉點為力矩中心，所有外力對這個中心取矩建立平衡方程中只有一對大小相同方向相反的未知力。例：試計算塔身如圖所示主材內(nèi)力。解：先計算支座反力。求出反力后，從包含二桿的結(jié)點開始，逐次截取各結(jié)點求出各桿的內(nèi)力。分離體為平面匯交力系。一般用投影二個方程可求解3）靈活運用（1）結(jié)點法、截面法可以聯(lián)合使用；（2）零桿判斷應充分利用，可以簡化計算。（3）利用對稱性；2桿塔荷載按性質(zhì)分永久荷載：桿塔自重、導地線、金具、絕緣子自重及其它固定設備的重力?？勺兒奢d：風荷載、覆冰荷載、電線張力、施工及檢修的臨時荷載。特殊荷載：斷線所引起的荷載、地震所引起的荷載。按作用方向分可將它們分解成作用于桿塔上的橫向荷載：風荷載、角度荷載?？v向荷載：風荷載、張力荷載。垂直荷載：重力荷載。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)設計表達式：

γ。(γG·CG·GK+ψ·∑γQi·CQi·QiK)≤R式中：γ。----結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

γG----永久荷載分項系數(shù)（對結(jié)構(gòu)受力有利取1.0

不利取1.2)CG----永久荷載的荷載效應系數(shù)

GK----永久荷載標準值

ψ----可變荷載組合系數(shù)(正常運行情況取1.0220斷線及各級電壓的安裝取0.9

各級電壓的驗算和110斷線取0.75）

γQi----可變荷載分項系數(shù)取1.4CQi----可變荷載的荷載效應系數(shù)

QiK----可變荷載標準值

R----結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設計值其中：CG、CQi荷載效應系數(shù)，在GBJ9-87《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》荷載效應組合的設計值公式中注①中的解釋：荷載效應系數(shù)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中的效應（如內(nèi)力、應力等）與產(chǎn)生該效應荷載的比值。

內(nèi)力

CG·GK即--------·荷載

荷載

故：1992年全國鋼結(jié)構(gòu)標委會和鋼規(guī)標準管理組主持編寫的GBJ17-88《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》全國學習研討班系統(tǒng)講義,將設計表達式表述為：

nγ。(γG·SGk+γQ1·SQ1k+∑ψγQi·SQik)≤Rk/γRi=2

永久荷載項中CG·Gk即效應系數(shù)·標準值用SGk永久荷載效應值（即內(nèi)力

）表示

可變荷載項中CQi·Qik即效應系數(shù)·標準值用SQik可變荷載效應值（即內(nèi)力

）表示

荷載效應值即結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力

即用SGk、SQik表示內(nèi)力另：設計表達式

S荷載效應(內(nèi)力)設計值的總合≤R結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設計值式中:右側(cè)項Rk/γR表示為結(jié)構(gòu)抗力標準值Rk除以抗力分項系數(shù)γR即為抗力設計值RGBJ17-88《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》講義并指出：從二階矩設計法表達式，轉(zhuǎn)化為實用設計表達式的過程中，主要的是從二階矩法等效地確定出各分項系數(shù)和組合值系數(shù)。這些系數(shù)起著相當于β值的作用。GBJ68-84《建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》規(guī)定了各項系數(shù)的取值。目前規(guī)定的全套分項系數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化找出的最佳匹配取值，使按實用設計表達式設計的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際β與規(guī)定的β在總體上誤差最小。在荷載分項系數(shù)統(tǒng)一規(guī)定條件下，對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力分項系數(shù)進行分析，使所設計的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際β值與規(guī)定的β值差值最小。經(jīng)過調(diào)整，γR統(tǒng)一?。?號鋼、16Mn、16Mnq鋼，γR=1.087GB50017—2003在條文說明中改為Q235取γR=1.087,Q345取γR=1.111

鋼結(jié)構(gòu)設計取鋼材屈服強度作為強度極限。（GBJ17-88）規(guī)范規(guī)定，抗拉、壓、彎強度設計值分別為（fk/γR）

其中

fk：為強度設計標準值（GBJ17-88表示為fy）

γR：為抗力分項系數(shù)

如下所示

鋼號fk（即fy）標準值f設計值

Q235≤1623521517-4022520541-60215200

Q345≤1634531017-3532529536-50295265

因而從<GBJ17-88>、<DL/T5092-1999>以及架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術規(guī)定（送審稿），無一例外地都直接列出鋼材強度設計值，無須設計者再重復此項計算。傳統(tǒng)上采用應力形式表達和計算，可將

nγ。(γG·SGk+γQ1·SQ1k+∑ψγQi·SQik)≤Rk/γR

進行改寫

i=2

式中右邊的抗力標準值Rk=ak·fk

這里的ak為截面幾何參數(shù)標準值

fk為材料強度標準值則有：Rk/γR=ak·fk/γR因為：抗拉、壓、彎強度設計值為fk/γR=f則：Rk/γR=ak·fGBJ17-88《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》講義指出，這樣就可用傳統(tǒng)上的應力形式表達和計算，故可寫出：

n

σ=[γ。(γG·SGk+γQ1·SQ1k+∑ψγQi·SQik)]/ak≤fi=2

因此

DL/T5092-1999γ。(γG·CG·GK+ψ·∑γQi·CQi·QiK)≤R表達式寫入《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術規(guī)定》時由γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤Rγ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤Rk/γR可寫成表達式：

γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤ak·f直觀的表達為應力形式表達式：σ=[γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)]/ak≤f

今天GB50504-2010《110kV~750kV架空輸電線路設計規(guī)范》11.2.就直接將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)寫成:γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤R

不再重復傳統(tǒng)的表達方式.

故γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤Rk/γR

寫成表達式：

γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤ak·f我們常用的直觀的表達：σ=[γ。(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)]/ak≤f

塔型選型的必要條件:1電壓等級2回路數(shù)3導、地線牌號4導線排列方式5基本呼稱高及其規(guī)劃使用的塔高6電氣間隙圓7地線保護角8電氣負荷其中電氣間隙圓的確定在于以下條件：雷電過電壓（風速10m/s）操作過電壓（1/2最大設計風速）工頻電壓（最大設計風速）這里有一個絕緣配合設計的基本概念問題

1桿塔上的絕緣配合設計：就是按正常運行電壓（工頻電壓）、內(nèi)過電壓（操作過電壓）、及外過電壓（雷電過電壓）確定絕緣子型式及片數(shù)以及在相應的風速條件下導線對桿塔的空氣間隙距離。

2檔距中央導線及地線間的絕緣配合設計：就是按外過電壓（雷電過電壓）確定檔距中央導線及地線間的空氣間隙距離。

3檔距中央導線對地及對各被跨越物的絕緣配合設計：就是根據(jù)內(nèi)過電壓（操作過電壓）及外過電壓（雷電過電壓）的要求，確定導線對地及對各跨越物的最小允許間隙距離。對超高壓線路，除按此項要求考慮對地最小允許間隙距離外，尚應滿足地面靜電場強影響所需對地最小允許間隙距離的要求。

4檔距中央不同相導線間的絕緣配合設計：即按正常運行電壓（工頻電壓）并計及導線振蕩的情況，確定不同相導線間的最小距離。其中1、2、4影響著塔頭尺寸的確定，3則控制著鐵塔標準呼稱高的選擇。

絕緣子串長度的確定：I串V串

絕緣子串風壓的計算：W1=W0·μZ·As式中：W1—絕緣子串風壓

W0—基準風壓標準值，

W0

=V2/1600kN/m2μZ—風壓高度變化系數(shù):As—絕緣子串風壓面積單盤盤徑254mm每片取0.02m2

大盤徑及雙盤徑0.03m2

金具另件單導線縫每串取0.03m2

兩分裂導線每串取0.04m23~4分裂導線每串取0.05m2

雙聯(lián)可取單聯(lián)的1.5~2.0倍

導線風壓的計算：WX=α·W0·μZ·μsc·βc·d·LP·B·sin2θ式中：WX—垂直于線條的風壓

α—風壓不均勻系數(shù)（見下表）

W0—基準風壓標準值，

W0

=V2/1600kN/m2μZ—風壓高度變化系數(shù):μsc—導地線體型系數(shù):線徑小于17mm，取1.2

線徑等于或大于17mm，取1.1

βc—算500、750取的風荷載調(diào)整系數(shù)（見下表），330及以下取1.0

驗算桿塔電氣間隙α

隨水平檔距變化取風速V（m/s）≤2020≤V≤2727≤V≤31.5≥31.5α計算桿塔荷載用1.00.850.750.70塔頭選型算風偏角用1.00.750.610.61βc算500、750桿塔荷載1.01.101.201.30跳線α宜取1.0LH≤200250300350400450500≥550α0.800.740.700.670.650.630.620.61

d

—導、地線直徑mLP

—水平檔距mB—覆冰時風荷載增大系數(shù)5mm冰時取1.110mm冰時取1.2sin2θ

—風向夾角(90°)垂直荷載的計算

1)計算風偏角時按KV值，即用LV/LH

之比：平地一般取0.75

丘陵及低山取0.65~0.75

山地及大山取0.55~0.652)算鐵塔結(jié)構(gòu)強度則是取設計規(guī)劃的水平檔距和垂直檔距

懸垂串搖擺角的計算：

0.5P1+PLHΦ=tg-1(-----------------)

0.5G1+W1LV式中:Φ----風偏角P1----串風壓NP----相應條件下導線風荷載N/mLH----水平檔距G1----串自重W1----導線自重

LV----垂直檔距

例如：500kV同塔4回路兩種導線排列及懸掛方式塔型選型結(jié)果

桿塔風荷載的標準值，應按下式計算：WS=WO·Z·S·Z·B·AS式中WS——桿塔風荷載標準值(kN)；S、AS——分別為構(gòu)件的體型系數(shù)和承受風壓的投影面積計算值，m2，體型系數(shù)S按現(xiàn)行國家規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）確定；z——桿塔風荷載調(diào)整系數(shù)。對桿塔本身，當桿塔全高不超過60m時，應按照下表對全高采用一個系數(shù)；當桿塔全高超過60m時，應按現(xiàn)行國家規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）采用由下到上逐段增大的數(shù)值，但其加權平均值對自立式鐵塔不應小于1.6，對單柱拉線桿塔不應小于1.8。對基礎，當桿塔全高不超過60m時，應取1.0，60m及以上時宜采用由下到上逐段增大的數(shù)值，但其加權平均值對自立式鐵塔不應小于1.3。桿塔風荷載調(diào)整系數(shù)z(用于桿塔本身)桿塔全高H（m）2030405060z單柱拉線桿塔1.01.41.61.71.8z其他桿塔1.01.251.351.51.6注：1中間值按插入法計算。

2對自立式鐵塔，表中數(shù)值適用于高度與根開之比為4－6。

再復習一遍《桿塔荷載》按性質(zhì)分永久荷載：桿塔自重、導地線、金具、絕緣子自重及其它固定設備的重力。可變荷載：風荷載、覆冰荷載、電線張力、施工及檢修的臨時荷載。特殊荷載：斷線所引起的荷載、地震所引起的荷載。按作用方向分可將它們分解成作用于桿塔上的橫向荷載：風荷載、角度荷載?？v向荷載：風荷載、張力荷載。垂直荷載：重力荷載。

負荷組合（工況組合）正常情況(直線塔計算90°、0°、60°、45°大風、覆冰)

（轉(zhuǎn)角塔還應計算與角度力相反方向90°風吹）（終端和轉(zhuǎn)角還要計算最低氣溫）斷線情況（事故、張力差）安裝情況（導線安裝、地線安裝）張力放線條件下直線塔要考慮錨線，錨線對地角一般不大于20°驗算情況（位于基本地震烈度九度以上地區(qū)的各類桿塔應進行抗震驗算，風荷載取最大設計值的30%，無冰、未斷線。）材料

桿塔用鋼材一般采用Q235B、Q345B，需要時可采用Q420B。桿塔結(jié)構(gòu)的基本規(guī)定

1鐵塔撓度（5m/s、年平均氣溫）直線自立鐵塔3h/1000

轉(zhuǎn)角及終端自立鐵塔7h/10002鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許最大的長細比受壓主材L0/r≤150

受壓材K

·

L0/r≤200

輔助材K

·

L0/r≤250

受拉材

L0/r≤400

式中：K——構(gòu)件長細比修正系數(shù)，按規(guī)定附錄D確定；

L0——構(gòu)件計算長度；

r——回轉(zhuǎn)半徑。

構(gòu)件計算（軸心受力）——強度

N/An

≤m

·fN

——軸心拉力或軸心壓力，N；An——構(gòu)件凈截面積，mm2，多排螺栓要考慮鋸齒形截面破壞；m——構(gòu)件強度折減系數(shù)；受拉構(gòu)件：雙肢連接的角鋼和中心連接鋼管構(gòu)件m=1.0

偏心連接鋼管構(gòu)件m=0.85

單肢連接的角鋼構(gòu)件(肢寬﹥40mm)m=0.70

雙肢連接的角鋼構(gòu)件(肢寬≤

40mm)m=0.55

受壓構(gòu)件：雙肢連接的角鋼和中心連接鋼管構(gòu)件m=1.0

單肢連接的角鋼和偏心連接鋼管構(gòu)件m=0.85

組合斷面構(gòu)件(無偏心)m=1.0

組合斷面構(gòu)件(有偏心)m=0.85f——鋼材的強度設計值,N/mm2。

構(gòu)件計算（軸心受力）——穩(wěn)定

N/（Φ·A）≤

mn

·fN

——軸心壓力，N；Φ

——受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，按計算長細比Kλ=L0/r，查Φ表。式中：K是λ（長細比）的修正系數(shù)（見附錄D）

A

——構(gòu)件毛截面面積，mm2；mn

——壓桿穩(wěn)定強度折減系數(shù)；f——