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摘要：高压架空线路是电力系统中电能传输、交换、调节和分配的主要环节，是组成电力系统必不可少的重要组成部分。通过高压架空输电线路可以进行电力系统间的联网，提高系统的稳定性、可靠性以及能动性，使各种能源能够得到充分合理地使用。本文主要针对钢管塔优化设计进行分析。
关键词：钢管塔；优化；设计
引言
近年来，长期以来被广泛使用的钢筋混凝土杆有逐渐地被高压输电塔所替代的趋势，这是一个符合时代变化发展的要求，也是目前发达国家的发展现状情况。
一、塔头布置优化设计
双回路塔的导线排列方式主要分为垂直排列和三角排列两种。国内的同塔双回路铁塔，除大跨越塔为了减少塔高，三相导线采用三角排列外，一般线路多采用三相导线垂直排列的方式。垂直排列的线路，由于线路走廊较小、回路明确、结构简单、传力清晰、施工和检修较为方便，在国内大量使用，同时也积累了丰富的运行经验。因此本工程导线采用垂直排列方式。根据不同绝缘子串型式，分别绘制塔头间隙圆，塔头布置主要有四种方式：III（鼓型）、IVI（双曲线型）、VIV（鼓型）、VVV（鼓型）。本工程线路覆冰厚度5mm，根据《110~750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）规定，本次相邻上下层导线间、导地线间水平偏移最小取0.5m。各种塔头布置方式见图1。
图1不同塔头布置方式
各塔型方案走廊及重量对比见表1，杆塔重量按39m统计。
表1各塔型方案走廊及塔重对比表
由图1可知，上述四种布置方式，塔头高度均为16.0m。从走廊宽度来看，根据表1，III塔头型式所需走廊宽度最大，导线投影宽度达到9.0m，VIV与VVV布置方式投影宽度一样，所需走廊宽度均较小，IVI方式走廊最小。从塔重指标来看，III方式因横担长度最短（力矩相对较小），塔头高度最小，重量最轻，VVV方式重量最大，而IVI方式相对较轻。从电气指标来看，IVI方式因其中相导线缩进布置，能有效地提高防雷电绕击的能力。综合考虑线路走廊及塔重指标因素，并结合绝缘子因素，本工程直线塔采用IVI塔头布置方式。
二、塔身截面形状优化选择
根据横向水平荷载与纵向水平荷载大小的比值，通常直线塔断面形状有矩形和方形两种。矩形断面的塔身风荷载较小，当纵向水平荷载较小时，使用正面根开大、侧面根开小的矩形截面塔，杆塔重量可以相对较小。
本工程在杆塔规划时，对直线塔采用矩形塔和方形塔进行了优化比较。从计算结果看，在正面根开相同时，矩形塔比方形塔塔重轻1～2％，塔重减轻较少，主要原因是本工程输电线路铁塔塔身侧面很多杆件都是断线工况控制的，侧面根开减小后，导致规格增大。另外，在正面根开相同的情况下，方形塔的整体刚度要好于矩形塔，特别是在大档距负荷条件下，矩形塔显得纵向刚度薄弱；矩形塔的长短腿与塔身连接时，塔腿“V”面结构不对称，给加工放样带来较大的困难，方形塔长短腿与塔身的连接要比矩形塔容易实现，加工、施工更方便。另外，也对方形塔和三边形塔进行了比较。三边形塔没有横隔和副杆，塔重比角钢塔小，而考虑到位移限制，其塔重一般只比角钢塔小15％左右，但是随之带来的加工困难也比较明显，因此也不推荐选用。
综合考虑上述因素，为保证杆塔的纵向刚度，提高整塔的稳定性，所有塔型均采用方形塔。
三、塔身坡度、根开的优化
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。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，倾角改变将导致腹杆受力发生改变，腹杆长度的变化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。塔身坡度及根开优化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素，最终选取最佳的坡度和根开。
在标准化设计中，对每种塔型均在给定的荷载条件下，对塔身坡度和根开进行了多方案组合优化，对各种组合进行计算工作，通过对计算重量的比较，在保证铁塔具有足够的强度和刚度条件下，优化出铁塔的最佳坡度。
四、传力线路优化
优化力的传递路线，不但对降低塔重有着重要意义，对保证杆塔结构稳定也有特别重要意义。例如横担的剪力，若通过横担上下平向传递，不但使塔重有所增加，而且对下平面带来不利影响，另外，横担剪力通过下平面传递，若靠近塔身的斜材布置为交叉型式，也将使结构出现偏心。斜材同时受压是影响塔重的另一重要因素，因此本次设计中通过对力的传递路线分析在塔头适当位置布置“K”型结构斜材，以减少斜材同时受压影响。
五、其他设计优化
（1）钢管杆主要构件的最小厚度。钢管塔构件的连接大多数主要采用焊接方式，如加劲肋板与横担的连接、主杆法兰与主杆肋板的连接等。因此主要构件（如横担、主杆）的厚度不应小于6mm，以防止在焊接时因构件过薄而被焊穿，从而减弱构件的承载能力。
（2）地脚螺栓孔距对锚板影响。目前，由于法兰方式传力路径清晰、施工方便，被较为广泛地应用于钢管杆主杆与基础的连接。即在基础浇筑时预埋地脚螺栓，安装钢管杆时螺栓穿接紧固于主杆法兰上。对于外负荷较大的大转角耐张钢管杆，所需的地脚螺栓直径、数量均较大，从而造成钢管杆根部法兰上的地螺孔孔间距较小，此时应注意地螺孔间距是否满足地脚螺栓底部的锚板尺寸要求，若地脚螺栓孔孔距过小，将导致相邻地脚螺栓的锚板相碰，从而无法安装施工。因此通常应使地螺孔间距不小于锚板尺寸加10mm。
（3）节点连接优化。节点构造是设计的一个重要环节，铁塔真型试验破坏往往与节点构造不当有关。目前已引起很多设计院的重视。在钢管塔设计中应注意遵循以下几点原则：①避免相互连接杆件夹角过小，减小杆件的负端距；②节点连接要紧凑、刚度强，节点板面积小；③尽量减小杆件偏心连接，避免节点板受弯；④两面连接的杆件避免对孔布置，减小杆件截面损失；⑤加长杆件构造长度，减少包铁连接数量，进一步降低塔材耗量。
六、结束语
本文对钢管塔的优化设计进行了研究分析，通过技术指标比较，降低了耗钢量，采用V型绝缘子串与固定式防风偏绝缘子技术，减少了线路走廊宽度，降低了占用土地面积和政策处理难度。类似的工程设计可以参考本文提出的原则和方法。
参考文献：
[1]李清华，吴静，邢海军，朱彬荣.特高压钢管塔锻造法兰优化设计研究[J].中国电力，2013，46（06）：52-56.
[2]李观.特高压钢管塔的优化设计[D].哈尔滨工业大学，2011.