论窄基塔在城区中的运用

2022-09-11

杆塔设计是架空送电线路工程设计中的重要一环, 它直接影响着送电线路的安全运行和本体造价。不同的杆塔型式在造价、占地、施工、运输和运行安全等方面均不相同, 杆塔工程的费用约占整个工程的30%~40%, 特别是在路径经过城区的高压线, 目前其杆塔造价占到了工程本体投资的60%以上。因此, 在质量确保、安全适用的前提下, 合理选择杆塔型式是关键。本文针对实际工程论述了窄基塔的应用。

1 工程概况

李家变~黄泥头110kV双回路送电线路工程位于江西景德镇境内, 全长7.314km, 受规划限制, 其中有1.825km双回路部分路径途经当地城市规划路段中间的绿化带, 由于规划道路绿化带宽度不超过3m, 规划部门审批路径方案时提出必须采用占地面积少的的杆塔。

2 设计思路

由于国内经济高速发展, 在城市规划区内高压线越来越多, 而线路走廊也越来越紧张, 高压线往往必须沿着规划或者现有道路边架设, 如果采用一般山区铁塔, 由于这种铁塔基础根开较大:110kV双回路直线铁塔基础根开一般达到了4m~5m, 如采用铁塔高跨方式, 基础根开相应就越大, 这显然不能满足现代化城市高压线须占地少的要求。所以在城区线路中, 我们一般采用两种方式来尽量少占城市用地, 一是采用电缆埋管方式, 二是采用钢管杆。由于前者本体投资太大, 受地形、地下管道、河流等因素限制太多, 故多为采用钢管杆架空形式。但钢管杆使用条件比铁塔高, 而且在施工过程中, 组立需要大型机械设备, 对施工现场环境要求高, 一方面, 工程造价大大增加, 另一方面, 与铁塔相比不利于运行维护。因此设计出既有普通型铁塔一样加工、运输、组装方便, 同时又有占地小、通道较狭窄等优点的小根开窄基塔显得十分迫切。故在设计图设计中综合考虑以上因素, 窄基塔以其经济可靠、分件运输、加工安装方便等优点成为首选。

2.1 气象条件的选取

本工程的设计气象条件为江西省城区典型气象条件, 即最大风速为30 m/s, 设计最大覆冰为10mm, 最低气温-10℃, 最高气温4 0℃。

2.2 SZ0窄基塔使用条件的确定

2.2.1 导线、接地线型号及最大使用应力的确定

根据本工程初步设计审查批复文件, 并参考GB1179-1999技术标准, 本工程选择的导线为LGJ240/30钢芯铝绞线, 设计安全系数k=3.5 2, 导线最大使用应力74MPa;地线选用钢绞线GJ-50, 安全系数k=5.37, 最大使用应力240MPa。

2.2.2 使用档距的确定

考虑到本工程为城区线路, 地形平坦, 因而不同塔位的水平档距、垂直档距分散性不大, 因此将窄基的设计使用档距确定为:水平档距为200m, 垂直档距为250m, 代表档距为200m。

2.3 绝缘配合

对于同塔双回路, 存在2个回路同时遭受雷击闪络的可能性, 根据国内外经验, 调整2回路之间的绝缘水平, 采取平衡高绝缘配置, 降低或避免因塔顶遭受雷击而引起的双回路同时跳闸事故, 所以同塔双回路采用平衡高绝缘设计。

2.4 最大呼称高的确定

本线路沿城市规划花带架设, 花带有绿化树木通信线及低压线路的情况, 同时为了城市美观, 将最大呼称高定得太小, 无疑将会制约窄基塔的使用。但是, 将最大呼称高定得过高, 又会使全塔的材料指标相应增加。经过试算, 在不会导致杆塔单基指标明显增大的前提下, 将窄基塔的呼称高定为18~24m。

2.5 基础及接地电阻

本塔型为窄基式, 在采用连体深埋式基础时, 为了保证塔的抗倾覆要求, 对基础断面和带一个台阶的混凝土现浇基础断面可适当加大, 以适应于较差地质情况, 另外考虑到基础地面易腐蚀和受城市车辆等物的撞击, 设计按0.3 m高现浇水泥台阶, 将底脚螺栓全封死;并作适当装饰, 使其起到一定的美观效果。

3 杆塔设计优化

目前, 送电铁塔设计软件中应用的是满应力准则法, 较少考虑多工况、多约束情况, 主要是对截面尺寸进行优化, 更高层次的形状优化尚处于探索阶段。与截面尺寸优化相比, 形状优化更为复杂, 由于设计变量急剧增加, 结构分析更加复杂。另外, 在结构设计过程中, 实际节点构造和计算模型有一定的差异, 如果这种差异过大, 则计算模型就会失效。现在有一些引进广义变量近似的方法对送电铁塔形状优化, 方法可行, 但还没有可用于工程的成熟软件。因此, 目前主要还是应用满应力准则, 从合理确定塔身坡度、腹杆布置、构件截面型式, 进一步改进节点构造等方面试算比较, 对铁塔进行整体和局部优化, 在确保所设计的铁塔安全可靠的同时, 降低塔重。

3.1 塔型设计的技术经济原则

本塔型是在研究原有普通双回路塔型的基础上, 着重从以下几个方面入手。

(1) 提高安全裕度, 采用深埋式自立基础并将四脚连成整体, 做到不发生倒塔、断线、闪络事故。

(2) 导线按110kv两回路共塔架设方式, 适当提高塔型高度, 以满足交叉跨越和行道树木的要求。

(3) 提高塔型整体强度和减小挠度变形, 使得该塔型经济、实用、可靠。

3.2 塔型优化设计

以前参观过武汉街边的窄基塔, 其塔身均为焊接结构, 虽然此结构具有简化加工工序等优点, 但焊接容易引起较大的残余变形和焊接内应力及不易拆卸等缺点, 所以本工作SZ0塔仍采用螺栓连接。

根据本工程的杆塔设计条件, 在塔头型式、塔身坡度、布材方式、接腿形式、节点构造等方面进行铁塔优化, 以降低工程造价, 方便加工。

3.2.1 塔头结构布材和尺寸的优化

塔头部分的优化, 主要是在满足电气间隙要求的前提下, 尽量减小线路走廊宽度和铁塔受力, 设计时对塔头的几何尺寸、布材形式等进行多方案比较、试算、分析, 调整, 使得构件受力清晰, 结构处理简洁, 减轻铁塔重量的同时其在结构强度和整体刚度上均能满足要求。

塔头型式采用干字型, 经综合考虑SZ0窄基塔地线线间距离确定为2.5m, 地线支架高2.0m, 导线线间距离3.5m, 防雷保护角为17°。以下为SZ0窄基塔单线图。

3.2.2 塔身坡度的优化

塔身的坡度和塔材布置对铁塔重量的影响至关重要, 它直接影响塔身主材、斜材的规格以及基础作用力。合理的塔身坡度和塔材布置应使塔材应力分布的变化及材料规格的变化相协调, 使塔材受力均匀。实际上就是以整基铁塔重量为目标函数, 综合构件受力性能和基础作用力等因数, 最终选取最佳的坡度和根开。

其中, 主材受力会随着坡度的加大而减小, 反之受力则加大;坡度的改变还会使斜材的倾角和长度发生变化, 倾角将导致腹杆受力发生改变、加上腹杆长度的变化都将使腹杆的整体重量有所改变。

铁塔根开、塔身变坡点的位置及宽度与构件的受力状态有直接关系, 塔身越宽越大, 主材受力越小, 铁塔整体刚度越大, 基础作用力也越小, 但斜材长度和辅助材长度会增加, 甚至使辅助材数量增加, 结构布置也会复杂;反之, 主材受力加大、基础作用力也加大, 铁塔整体刚度降低, 但斜材长度随之减小。经过对计算重量的比较, 在保证铁塔具有足够的强度和刚度的条件下, 优化出铁塔的最佳坡度。

经过多次计算优化, 塔身坡度值i取值定为0.0513。

以往的工程实践说明, 在给定的荷载条件下, 塔身坡度过大或过小, 以及塔身平均宽度的过大或过小都将使铁塔的重量趋于增加, 而合理的塔身坡度和平均宽度不仅能使铁塔的钢材指标降低、刚度和强度稳定可靠, 而且外观也显得非常协调。因此, 塔身主材坡度和塔身平均宽度的确定对于铁塔重量有明显的影响, 其优化的意义是比较明显的。

3.2.3 其它考虑

除此之外, 还考虑了以下几个方面。

(1) 根据线路走廊狭窄的特点, 采用垂直排列的挂线方式, 塔头尺寸尽量压缩, 铁塔根开尺寸受地形限制也不能过大。

(2) 控制铁塔的最大使用档距不宜超过300m, 目的是限制导线风偏。

(3) 控制塔高在40 m以内, 防止因铁塔过高必须采取其它特殊处理, 如装设独立爬梯等。

(4) 由于受环境条件限制, 铁塔根开不宜过大, 因此, 窄基直线塔塔基宽度与铁塔高度之比, 较常规铁塔小。

3.3 塔身优化设计

3.3.1 塔身主材节间长度的优化

铁塔构件的承载能力与构件的计算长度、截面面积及材料的屈服点有关。当构件的规格由强度控制时, 构件需要选取的截面净面积与其所承担的内力成正比, 内力越大, 构件截面面积越大。当构件的规格由稳定计算控制时, 构件规格的选取则不仅仅与所承担的内力有关, 还与构件本身的计算长度有关, 内力一定, 构件的计算长度越长, 构件规格越大。而计算长度一定时, 内力越大, 所需规格也越大。因此, 对于承受外荷载一定的结构, 构件计算长度确定合适与否会严重影响其截面的选择。对于常用主材 (按Q 3 4 5考虑) , 用M 2 0螺栓计算所得的临界节间计算长度如表2所示。

结合表2, 调整主材的计算长度:构件规格的选取不仅与其所承担的内力有关, 还与构件长度有关。内力不变的情况下, 规格与构件的长度成正比, 将同段主材的上下节间进行调整, 将受力大的节间压缩使主材规格减小。

因节间长度的确定还受塔身分段、接腿及外形尺寸等因素的制约, 同时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, 往往很难理想的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, 但利用此长度拟定节间长度的参考值, 对杆件布置形式、节间长度的进一步优化, 降低塔重具有重要作用。