第五册----塔型选择及结构优化.pdf

1、 20-S299C-A0505 60-S709C-A0505 14-S3871C-A0505 10-W103-S484C-A0505 13-S07011C-A0505 37-S6891C-A0505 40-S483C-A0505 宁东山东 660kV直流线路工程 初步设计 第五卷 专题报告 第 五 册 塔型选择及结构优化 中国电力工程顾问集团公司西北电力设计 院 中国电力工程顾问集团公司中南电力设计 院 中国电力工程顾问集团公司东北电力设计 院 北京国电华北电力工程有限公 司 山工程咨询院 宁夏设计院 山西省电力勘测院 河北 测设计研究院 二 O O八年十月 宁夏回族自治区电力设计院 院 长：

2、王洪海 总工程师：付 江 项目经理：李 维 校 核：胡江涛 柴少磊 董会文 编 写：罗正林 侯鹏翔 何欣荣 包克俭 马冬波 东北电力设计院 院 长： 谷仁川 总 工 程 师： 张国良 审 核： 高 平 校 核： 陈 光 编 写： 吴光臣 西北电力设计院 院 长： 薛更新 总 工 程 师： 杨 林 审 核： 朱永平 王虎长 高 振 校 核：李 平 胡建民 编 写： 赵雪灵 高 振 山西省电力勘测设计院 院 长： 张奋光 总 工 程 师： 刘志强 审 核：杨春田 赵晋生 阎 涛 校 核：谢东升 藏明皓 编 写：张慧忠 白俊平 北京国电华北电力工程有限公司 院 长： 孙 寿 广 总 工 程 师： 王

3、 绍 德 马 志 坚 审 核： 李 晋 孟 华 伟 校 核： 施 芳 杜 国 良 编 写： 李 晨 孟 华 伟 钟 晶 叶 伟 李 鑫 河北省电力勘测设计研究院 院 长： 贾吉林 总 工 程 师： 魏利民 审 核： 李金喜 王江 校 核： 王炜 武淑敏 编 写： 李金丰 宋岩 孙庆钢 王江 山东电力工程咨询院 院 长：王东伟 总 工 程 师：杨玉祥 审 核：汤 涛 孙成秋 校 核：宋志昂 张佩师 张道国 郎需军 金 树 编 写：房祥玉 任宗栋 朱英魁 张丽娟 张广龙 游 亮 杜池庆 中南电力设计院 院 长：封静福 总工程师：王 钢 审 核：胡汉基 赵全江 校 核：李 翔 编 写：陈 媛 郑 伟

4、 内容摘要 本专题报告 根据初步 设计文件 的 要求，依据相关设计规范、规程和规定，结合本工程的实际情况， 针对 660kV 直流线路的荷载特点 和 电气特性 ，对本工程采用铁塔进行了选型； 同时以本工程典型气象区的铁 塔为例，从塔头布置、横担型式、塔身正侧面尺寸、铁塔根开及最优坡度、横隔面的设置、铁塔节间布置、塔身腹材布置、 K 节点的使用和高强钢 Q420的应用等方面对铁塔结构 进行了 优化设计， 得到以下结论： （ 1）本工程直线塔 主要 采用 导线 水平排列的自立式铁塔，导线挂线方式均采用 V型绝缘子串。 （ 2） 直线塔 采用 “羊角型” 铁塔 。 （ 3）悬垂 转角塔采用“ L串”

5、，既可缩小极间距，压缩线路走廊宽度，又可减轻塔重。 （ 4）耐张转角塔采用“干字型”塔，跳线采用硬跳线，跳线挂方式采用双“ V”串 ， 提高 污耐压比 ； V 串的电气环保性能优于 I 串；使 用 V 串可以减小级间距，从而减小地线架的长度，节约钢材 ,降低塔重 。 （ 5）铁塔结构 优化 设计： a） 塔头采用地线支架与横担相连的“羊角式” 。 b） 为了提高 660kV 直流 线路 铁塔 的 刚度，本工程所有铁塔塔身断面均 采用“方形”断面。 c）铁塔根开按最优坡度为基准取值 。 d）减少了横隔面的数量 ，提出了本工程隔面设置型式及要求 。 e）采用定量分析的方法来确定铁塔节间布置。 f）

6、塔身斜材尽量伸入主材，少用或不用节点板 ，斜材与水平面的夹角控制在 350-500之间 。 （ 6）耐张转角塔在 00-600范围内按 200分级设计，其他 优化细节与直线塔优化思路一致。 （ 7） 对直线塔进行荷载分组设计，以充分发挥各塔在不同高度下构件的利用率，降低工程造价 。 （ 8）对所用的角钢规格进行优化选取。 （ 9） 通过对钢管塔和角钢塔的对比分析，本工程全部铁塔采用购方便、加工及施工成熟的角钢材料。 （ 10） 山地铁塔采用全方位长短腿，并与 高低 基础配合使用 。 （ 11） 由于本工程的 铁塔 结构 大型化，结构型式及节点处理等问题应引起足够重视并进行深入的研究。 目录 1

7、 工程概述 . 1 1.1 工程概述 . 错误！未定义书签。 1.2 本标段概述 . 错误！未定义书签。 2 铁塔选型 . 2 2.1 直线塔选型 . 3 2.2 悬垂转角塔选型 . 5 2.3 耐张转角塔选型 13 3 铁塔材料选用 15 3.1 关于钢管塔 . 15 3.2 关于高强钢 . 16 3.3 关于高强螺栓 . 19 4 铁塔优化 21 4.1 优化原则 . 21 4.2 优化方法 . 22 4.2.1 动态规划法和满应力准则法相结合的设计方法 . 23 4.2.2 满应力算法 . 23 4.2.3 动态规划计算法 . 24 4.3 优化内容 . 25 4.3.1 塔头型式优化

8、. 25 4.3.2 横担型式优化 . 25 4.3.3 铁塔口宽及塔身坡度的优化 . 14 4.3.4 塔身断面形式优化 . 18 4.3.5 塔身结构布置及节间优化 . 19 4.3.6 塔身斜材布置 . 21 4.3.7 塔身 K节点的使用 . 22 4.3.8 隔面设置及优化 . 23 4.3.9 节点构造优化 . 26 4.3.10 荷载分组计算 . 27 4.3.11 角钢规格的优化 . 28 4.3.12 铁塔长短腿设计 . 58 4.4 转角塔 . 60 5 大型化铁塔在大荷载作用下的结构型式及节点处理 61 6 结论 错误！未定义书签。 7 参考文献 61 1 工程概述 为进

9、一步 实现电力 资源优化配置，新建 宁东 山东 660kV直流线路 工程 。 本工程 起于宁夏回族自治区 银川 东换流站，止于山东省 青岛 换流站。线路途径宁夏、陕西、山西、河北、山东五省，线路全长1335km，包括山东黄河大跨越 3.3km，输送 容量 4000MW。 660kV直流输电能力强，输电效益高，可适应国家电网的远期发展， 实现 东西部电力资源优化配置 。 无论是沿线的地形、气象等自然条件，还是导线对地距离、导线分裂根数等电气条件，660kV 直流输电工程较以往直流线路都有很大不同，从而 导致 铁塔塔高、塔头尺寸、铁塔负荷都较 其它直流 工程铁塔 有较大差异 ，这对设计工作提出了更

10、高的要求。而 输电线路铁塔设计是线路工程设计中技术要求高，工作劳动量大，且最 能 体现线路设计水平的主体部分。铁塔设计水平的高低、质量的优劣将直接影响到整个工程的质量和造价，影响到电网的安 全，也影响到铁塔的制造加工和施工安装。本报告依据 工程实际条件，在满足 电气专业要求 的前提下 ，从多方面就 铁塔 的选型和优化设计进行了论述。 2 铁塔选型 根据结构 的 受力特点，铁塔可分为拉线塔和自立式铁塔两大类。拉线塔曾在 220 500kV 输电线路工程中作为主力塔型广泛使用。 主要因为拉线塔塔型简洁、施工方便，耗钢量少，在运行维护方便的浅丘、荒漠等地使用较多。但拉线塔由于 拉线的防松、防盗 等问

11、题不利于运行维护；同时，拉线塔由于拉线根开大，占地范围广且塔位的场地选择受限制，往往导致拉线塔的综合费用经常高于自立式铁塔。 在 相同气候条件下， 由于电压等级的提高， 660kV直流线路 的塔高较 500kV直流线路 有所增加， 若仍采用拉线塔，则 拉线太长，不利于拉线的紧固 ， 并 且 在风及冰荷载的影响下容易使拉线松动，不利于运行维护； 并且 由于 660kV直流 线路 荷载较一般 500kV线路大得多，拉线受力很大，拉线型号及连接需要特制；最后，结合本工程的地形地貌以及走廊情况，在线路大部分地区，为高山大岭和经济发达区域，走廊较为紧张， 因此，本工程不推荐采用拉线塔。 从国内外已建线路

12、情况来看，自立式铁塔是绝大多数工程的主力塔型，同拉线塔相比，具有占地少 ，施工、运行维护方便等优点。结合本工程的 铁塔巨型化、荷载大以及走廊紧张等 特点，铁塔型式采用自立式 铁 塔。 国内外直流输电线路一般均为双极同塔输电，双极排列有水平和垂直排列两种方式 （如图 2-1所示） ，垂直排列可减小走廊宽度，水平排列可降低杆塔高度、平衡杆塔荷载 。 从安全、经济、运行、施工等方面综合考虑，导线排列方式一般地区采用水平排列，在局部走廊拥挤地段，可采用垂直排列，减小走廊宽度。 结合本工程 的特点 ， 导线 采用水平排列方式 。 对 图 2-1 导线水平排列和垂直排列 示意图 针对 本工程的 采用的自立

13、式 铁塔，在参考国内外 500kV 及 800kV 直流 工程铁塔设计经验的基础上， 通过 大量 的规划和计算工作 ，确定了直线塔 、悬垂转角塔和 转角塔的基本 塔型 。 2.1 直线塔选型 直线塔的单基重量是 影响整个工程铁塔指标的主要因素，而直线塔的塔重又受制于其塔头型式（导线挂线方式、塔头外型）。对于直线塔来说，导线的挂线方式直接决定了极间距的大小，同时也就决定了塔头尺寸的大小，进而影响到铁塔的钢材耗量和线路走廊宽度。一般来说，直线塔塔重随着极间距的增大而相应增大，主要原因在于极间距的增大导致了横担增长，增加了横担的弯矩，使得横 担规格加大，重量增加，另一方面极间距的增大还导致铁塔横向弯

14、矩和断线时的扭力臂增大，影响到塔身主斜材的变化，而使得塔重也增大。所以，如何尽可能减小极间距是水平排列直线路控制铁塔技术指标的关键，而要减小极间距最根本的办法就是选择导线的挂线方式。 直线塔导的挂线方式无论是交流还是直流常用的有“ I 串型式”和“ V 串型式”。 I 串挂线方式由于风偏和摇摆角 等 因素，其极间距较 V串挂线方式大，普遍是 V串时的 1.3倍左右；同时 I串由于绝缘子串呈悬垂型式，使得在相同的线高下铁塔高度较 V串方式要高4m左右 。因此 在相同线高下 ， I串 方式的塔重是 V串方式的 1.2 1.35倍 。 很明显，采用 V 串的挂线方式，一方面可减小塔重，另一方面可减小

15、线路走廊宽度，减轻对环境的破坏 。 同时 据国外资料， 在 一定条件下，采用 V 串较 串能提高绝缘子串的覆冰耐压 10 20，且导线脱冰跳跃时稳定性好。 因此，本工程直线塔均采用 V串挂线方式。 表 2-1 挂线方式采用 I串与 V 串的比较 挂线方式 I串方案 V串方案 单 线 图 呼高 (m) 60 60 塔重（ t） 34.33 33.56 相对重量 1.023 1.000 推荐情况 不推荐 推荐 据前面的分析，本工程直线塔推荐采用导线呈水平排列的自立式铁塔，挂线方式采用 V型绝缘子串。但能满足上述要求的铁塔型式很多，如常规羊角型 塔 、 干字型塔、门型塔等， 就这些铁塔型式而言，各有

16、优缺点， 详见表 2-2所示。 2.2 悬垂转角塔选型 悬垂 转角塔主要用在房屋密集、塔位较差、避让重要设施等需用小角度改变线路走向的塔位。该种塔的采用使线路路径走线灵活， 同时可以 延长耐张段长度。同耐张转角塔相比，基础混 凝土及铁塔钢材用量小，具有较大的优越性。 与 耐张转角塔比， 悬垂转角塔 可大幅度减小由于断线及安装时铁塔受的纵向荷载，使得铁塔受力情况大为改善，减轻铁塔重量，再者可减少绝缘子数量，进一步节省投资。在施工上， 悬垂 转角塔的绝缘子串及附件的安装较简便，导线直接通过悬垂线夹而不需开断，没有较困难的跳线安装和耐张线夹的压接，电气接触点极少，金具绝缘子重量轻，安装工作量显著减少

17、。在运行维护方面，由于 悬垂 转角塔绝缘子片数较少，清洗和检测工作量相应减少。耐张转角塔由于压接式耐张线夹在导线端及跳线端为压接式联接，中间为螺栓式联接 ， 因 而每个耐张线夹有三个电气接触点，一基塔总共有 72个电气接触点，这是事故易发部位，运行中需检查、维护，而对 悬垂转角塔 则无此项工作。 基于上述原因，本工程设计中我们增加了悬垂转角塔的用量。 同直线塔的挂线方式一样， 悬垂 转角塔也有 I 串和 V（ L）串两种挂线方式，当直线转角度数较大时， I串挂线方式会造成极间距的增加 ， 引 起 塔头尺寸的大幅度增加，从而导致 塔重增大 。因此，以往工程常用 I串转角一般 控制 在 3 10。

18、而 V（ L）串挂线方式塔头尺 表 2-2 直线塔选型 选型 羊角 型塔 干字型塔 干字型塔 门型塔 单 线 图 优 点 1.常用、成熟塔型 ； 2.型式简单、美观 ； 3.传力清楚； 4.塔重最轻、基础费用省； 5.运行维护方便。 1.常用、成熟塔型 ； 2.型式简单 ； 3.传力清楚； 4.塔重较轻、基础费用较省； 5.运行维护方便。 1.常用、成熟塔型 ； 2.型式简单 ； 3.传力清楚，导地线荷载分别由导线横担和地线架直接传到塔身上； 4.运行维护方便。 1.可大幅缩小极间距，减小扭矩； 2.充分节约线路走廊，保护环境。 3.单个基础作用力较小。 缺 点 1.纵向抗扭能力较差 ； 2.

19、覆冰断线和不均匀冰时，铁塔扭转变1.纵向抗扭能力较差 ； 2.覆冰断线和不均匀冰时，铁塔扭转变1.纵向抗扭能力较差 ； 2.覆冰断线和不均匀冰时，铁塔扭转变1.塔型较为复杂； 2.横担跨度过大，横担受力相当于一相荷形较大； 3.横担正面部分斜材受力较大。 形较大； 3.塔头臃肿； 4.导、地线横担上平面主材在塔身交点处的板要双向火曲，加工精度要求高，安装不方便； 5.地线横担下平面斜材负端距 过大。 形较大； 3.地线架很高，较前两个方案高 34m，塔重较重。 4.地线架下平面和导线横担上平面主材在塔身交点处的连接板需双向火曲，加工精度要求高，安装不方便。 载全部集中在横担中部，横担变形很大；

20、 3.占地过大，山区线路不易找到合适的塔位； 4.基础个数较多，基础混凝土耗量大； 5.塔重最。 塔重比 1.000 1.012 1.018 1.020 推荐方案 推荐 不推荐 不推荐 不推荐 寸受 转角度数的大小影响很小，同时较 I 串方式 可 减小极间距，缩小线路走廊宽度，且塔重变化也小，故 V（ L）串挂线方式的 悬垂 转角塔转角度数一般在 3 15。另外， I串与 V（ L）串，前者为了适应不同转角的间隙，需设置多种挂架，加工、施工不方便。由此说明，在同等经济性的前提下，采用 V（ L）串可以增大 悬垂 转角塔的转角度数，提高 悬垂转角塔 的运用范围。根据上述分析和比较，本工程推荐采用

21、“ L”串的 悬垂 转角塔 ，其型式如下图 2-2所示 。 图 2-2 悬垂转角塔示意图 2.3 耐张转角塔选型 干字型铁塔是常规直流线路工程中耐张转角塔普遍采用 的铁塔型式。这种塔型 由于结构简单，受力清晰，占用线路走廊较窄，而且施工安装和运行检修较方便。在国内各种电压等级线路工程中 作为主力塔型被 广泛 使用，积累了丰富的 设计、 运行经验。所以 本工程 耐张转角塔 型式主要 采用干字型。 考虑到 660kV直流工程耐张塔 绝缘子片数多，串长长，跳线 也相对较长 ，常用的跳线方式 (软跳线 )因其跳线弧垂和风偏，势必造成铁塔加高、横担加长，很 不 经济。因此，耐张塔跳线均采用硬跳线方式 。

22、 而硬跳线的固定方 式有悬垂的 I串 方式和 V串 方式， 由于耐张塔一般受力较大，使用 I 串挂线方式， 可以 减小横担长度，相比 V串挂线方式可以有效降低横担材料规格 ，此外，相比 V串可以减少一半绝缘子 。但是使用 V串的污耐压比 I串高 14.3 27.3%（ V串夹角 90o） ；V 串的电气环保性能优于 I串 ； 使 用 V 串可以减小级间距，从而减小地线架的长度，节约钢材 ,降低塔重 。 为此，耐张塔跳线串的挂线方式采用垂直线路的“双 V串”挂线方式。 本工程 V串跳线方式的干字型耐张塔型式如 下图 2-3所示。 图 2-3 耐张塔示意图 3 铁塔材料选用 从国内外情况来看 ，

23、目前输电线路铁塔的主要材料 有：角钢、钢管、钢筋混凝土。对于混凝土塔来说，施工周期长、机械设备运输困难、运输量大， 因此考虑在本工程中不采用混凝土塔 。 3.1 关于 钢管塔 由于 杆塔结构荷载较大，若用传统的 Q345角钢设计时主要受力杆件需用双组合角钢甚至四组合角钢才能满足要求，同时给铁塔生产加工及施工带来诸多不便，并且综合造价也比较高。为尽可能避免多角钢组合杆件的出现，设计人员 往往 采用更高等级材质的角钢或钢管构件进行铁塔设计。本节主要针对本工程的实 际，通过对钢管塔和角钢组合截面杆件 铁 塔的对比 分析 ，确定本工程直线塔和转角塔的设计方案。 钢管结构在大跨越输电工程中应用的比较多，

24、其主要优点有： （ 1）钢管的风压体形系数比较小，仅为角钢等型材的 1/2 左右，对于风作为主要荷载的输电钢结构，采用钢管可以减轻结构重量。 （ 2）钢管截面中心对称，其受力各相同性。作为输电钢结构空间桁架，其各向对称性可使杆件能够均衡地发挥材料的性能，同时对于构件抗扭也较为有利。 （ 3）钢管因其材料均匀分布在截面周边，和其他型钢相比，相同截面的回转半径较大。对于整个杆件，其计算长度可减小 ，整体稳定性大大提高，材料强度可得到充分发挥，即材料利用率高。特别是当结构几何尺寸较大，杆件较长时，这种优越性更为明显。 当然，钢管结构也有其弱点和难点。主要表现在：钢管型材品种规格有限，表面质量不好，同

25、时钢管间连接的节点构造复杂、不易处理，焊缝质量不易控制，加工生产效率低，管材价格高、加工成本也高，这些在一定程度上也限制了钢管结构的应用。 再者 对于本工程的山区线路，运输是关键，对于钢管塔，由于单件过重 (若要减轻单件重量，势必会增加大量的法兰盘 ，从而引起铁塔指标的增加 )，人力运输存在很大的问题。因此，对于交 通运输不方便的地方， 应根据实际情况，以经济指标为前提选用钢管或角钢塔。 尽管钢管塔的塔重较角钢塔节约 10%以上 的塔重，但最为主要的因素是，本工程铁塔构件的内力并不 是非常大 ， 通过初步计算 ， 本 工程直线塔及 悬垂转角塔 主材的最大内力均不超过 160(t)，而耐张转角塔

26、的最大内力也不过 380(t)，而国内常用的最大单角钢L200X24(Q345)的承载力可达 220t， L200X24(Q420)的承载力可达270t，而双组合角钢 2L200X24(Q345)的承载力可达 440t，2L200X24(Q420)的承载力可达 540t。 可见 ， 工程 上 常用的 单 角钢 和双组合角钢 的承载力 即 可满足铁塔内力要求，因此，本工程不推荐采用钢管塔。 3.2 关于 高强钢 高强度钢材具有材料强度高、钢材用量少的优点，在国外的输电线路杆塔设计中得到了广泛的应用 。 我院在 750kV官兰示范线路 中首次开始了高强钢的研究应用工作，在 部分转角塔的设计中首次使

27、用了Q420 高强角钢 ，有效地降低了塔重，节约了工程造价 ，这也同时拉开了我国输电铁塔应用高强钢的序幕。我们又在其他 750kV 和特高压1000kV晋东南工程中大面积使用了 Q420高强钢。除此而外， 国网公司又委托相关 单位开始了 Q460 高强角钢的应用研究工作，希望能进一步扩大高强钢的应用范围。 目前国内 750kV、 800kV 及 1000kV线路工程铁塔设计基本上全部应用了 Q420高强钢。关于高强钢的研究应用情况详见高强钢在铁塔上的应用专题报告。 对于 Q390高强角钢 ， 因 其 最多使钢材提高 13的强度，而在铁塔结构设计中，考虑选材的因素，与 Q345角钢相比 Q390

28、角钢实际降低耗钢量的效果达不到 10 ， 使 用 Q390角钢铁塔材料量的降低很可能与杆塔费用的增加持平或降低不多， 所以本工程设计中不推荐 采用Q390角钢。 对于 Q460 角钢，虽然通过室内试验等技术手段得到其设计用相关参数，但在实际工程中还未曾应用过，没有实际工程经验，且市场上没有产品，若需应用还要进行一定的研制工作，其产品质量、稳定性以及供货都不能保证，因此对于本工程来说，也不推荐采用 Q460高强角钢。目前 Q420 高强角钢应用已经相对比较成熟，也有工程设计应用经验，而且其生产、加工都能满足要求，产品性能也趋于稳定，再加上 660kV 直流线路工程无论荷载还是铁塔规模都较常规直流

29、工程大不少，所以铁塔设计中应用 Q420高强钢将会很有优势。 主材采用 Q420，一方面， Q420的使 用在一定程度上减小了基础作用力（塔身风荷载减少），另一方面可以避免主材双肢，从而也避免了由于双肢所需的构造单元，使得塔重进一步减轻。由于 Q420单价仅比 Q345高 10%左右 ，因此只要使用 Q420能使塔重降低 2%就是经济的。 为此 我们对本工程中几个主要 塔型 分别用 Q345和 Q420角钢进行了对比计算，计算结果如下表 3-1所示： 表 3-1 单回路铁塔 分别采用 Q345 和 Q420 角钢时塔重比较 塔 型 呼高（ m） 气象条件（风、冰） 计算塔重（ t） 塔重 降

30、低 （ %） 主材 Q345 主材 Q420 ZC2721 51 27m/s,10mm 32.3 30.9 4.6 ZC2722 60 27m/s,10mm 42.7 40.8 4.6 ZC2723 60 27m/s,10mm 45.2 43.2 4.7 JC2721 42 27m/s,10mm 52.4 49.1 6.7 JC2722 42 27m/s,10mm 57.7 53.6 7.7 JC2723 42 27m/s,10mm 64.2 59.1 8.6 JC2724 42 27m/s,10mm 77.8 70.9 9.8 由 上 表计算结果可以看出， 采用 Q420 钢， 直线塔平均可

31、降低塔重 4% 5%； 转角塔可平均降低塔重 8% 10%，部分塔型避免塔身双肢主材的出 现。 而且相应塔型还可以适当减小根开以适应本工程山地 部分 的地形特点。充分考虑角钢规格、材质性能以及铁塔结构布置的型式，本工程中将对铁塔主材 L125 10及以上的角钢规格拟采用 Q420，L125 08以下的角钢规格采用 Q345或 Q235。 本工程铁塔设计中，因高强角钢的采用而带来的另外一个值得关注的问题是高强钢板的使用。由于线路铁塔设计中涉及到的连接钢板种类较多，而每种钢板需求总 量又比较少，所以生产商对线路用高强钢板的生产兴趣不大。在我院 最先 采用 Q420设计的几个 750kV工程中，因供

32、货的原因没有采用强度匹配的 Q420高强钢板，而按强度等效的原则用 Q345钢板代替使用，由此带来了设计上的一些不便。 在后续工程中，我们逐渐增加了高强钢板的使用。 本工程规模较大，高强钢需求也相应较大，为进一步扩大高强钢在线路工程中使用的范围，带动国内厂商对高强钢板生产的积极性，所以我们建议本工程中增加采用 Q420高强钢板。 3.3 关于高强螺栓 对于螺栓级别，由于 660kV 直流线路比 500kV直 流线路 荷载大的原因， 其杆塔 构件受力大，连接螺栓数多。采用高强度螺栓可有效减小构件端头连接螺栓的数量，减小连接板的尺寸，从而到达降低塔重的目的。 根据螺栓的强度级别 (如下表 3-2

33、所示 )来分析螺栓数量及节点板的大小。 表 3-2 不同级别螺栓的抗剪强度表 强度级别 4.8级 6.8级 8.8级 10.9级 抗剪强度 170 240 300 380 强度比值 0.71 1.00 1.25 1.58 从上表可得出，不同的螺栓级别，其抗剪强度不同，在以往 500kV线路工程中，一般 M16 的螺栓均采用 4.8 级， M20及 M24的螺栓普遍采用 6.8级，而对于 8.8 级和 10.9级螺栓使用很少，根据 6.8 级和8.8级螺栓强度级别的比值来看，当采用 8.8级螺栓时，螺栓数量可减少 20%，则节点板可缩小 10%左右，也即是说板的重量可减轻 10%左右；当然采用

34、10.9级螺栓可节省更多，但由于 10.9级螺栓在酸洗除锈时容易造成氢脆断裂，且缺乏成熟的运行经验，建议不采用 10.9级螺栓。 现在由于 4.8 级 和 6.8级螺栓价格差别不大，而且一个 6.8级螺栓可以解决许多受力不大的辅助材却用两个 4.8 级螺栓的实际问题，所以本工程 全线铁塔螺栓 M16和 M20采用 6.8级 镀锌螺栓 ， M24螺栓采用 8.8 级 镀锌螺栓 ，以减小节点板，减轻塔重。 同时在实际工程设计中，对于 8.8级高强螺栓的应用，还应注意以下问题： （ 1）配合业主选择业绩较好的厂家，一般，螺栓厂应该提供生产规模及供货能力，加工、检测、试验设备，热处理及镀锌设备、工艺等

35、情况的说明报告。附上类似线路（电力）工程 8.8级及以上镀锌高强度螺栓的供应业绩（包括工程名称、规模，配套生产的螺栓规格、数量，实际运行情况等）。 （ 2）配合螺栓厂谨慎、合理地选择原材料的钢牌号，严格控制原材料的质量关，对原材料的材质不仅需 要做常规的理化检验，对每一根圆钢做目测检查，有必要时，还需要做探伤检查，将不合格的原材料排除在加工工序之前。 （ 3）设计的原则是在满足承载力的前提下尽量采用小直径的螺栓。不仅因为数量相对多的小直径的螺栓比数量相对少的大直径螺栓安全可靠性要好，而且在机加工、热处理和拉力试验中，小直径螺栓更容易操作。 （ 4）螺栓厂应对不同级别、规格的高强度螺栓的加工、制

36、造有专门的工艺措施，尤其是热处理等调质过程应有特殊的控制工艺，以防止淬火和退火失控以及严重的渗碳现象以及螺栓表里硬度差过大，影响螺栓的机械性能。 （ 5）螺栓应仍 然采用热镀锌防腐措施，应单独成批热镀锌，不允许与其他不同的构件混镀，但对于镀锌工艺和过程（镀锌温度、时间、冷却、清洗）需要合理控制，应优先采用抛丸等物理的除锈工艺，最大限度的避免氢脆的发生。 （ 6）螺栓紧固值不宜太大，防止因超拧而使螺栓一直处于高应力状态下。螺栓的紧固应采用力矩（放大）扳手，螺栓的拧固次序应当按照事先设定程序进行操作，最大限度的避免螺栓群的受力不均。 4 铁塔优化 4.1 优化原则 塔型确定以后，塔头尺寸的大小是否

37、合理、是否 需 要按海拔高度分别规划铁塔、结构尺寸和材料的选取及布置形式是否合 理、铁塔的长短腿高差能否满足环保的 要求等 影响工程造价 的 因素，则需做进一步的研究分析。 本专题报告 从上述 影响工程造价 的 因素 对铁塔结构进行优化 ， 同时给予总结和概括。在保证铁塔的强度、稳定性和必要的刚度的前提下，通过铁塔结构优化设计，力求满足以下要求： （ 1） 确保铁塔的强度、稳定和安全运行； （ 2）结构形式简洁，杆件受力明确，结构传力路线清晰； （ 3）降低铁塔钢材耗量，使铁塔造价经济合理； （ 4）合理安排部件和划分节间，充分发挥构件的承载潜能。 本工程的铁塔优化设计按照从宏观到微观、从整体

38、到局部的顺序进行，即从铁 塔型式到铁塔外形、再到结构的细部构造的顺序开展工作。 铁塔优化设计工作主要从以下几个方面进行： （ 1）针对不同类型铁塔的受力特点，在给定荷载条件和电气间隙的 条件下，采用多方案 比选 的方式，确定铁塔头部控制尺寸和合理的塔身坡度。 （ 2）根据工程的具体情况，确定适宜的铁塔根开，综合考虑铁塔单基指标、基础工程量、占用耕地、植被等情况，力求达到最佳的综合经济效益。 （ 3）根据目前角钢的供货情况，对所使用的角钢规格及材料材质进行优化选用。 （ 4）选取合适的铁塔全方位长短腿方案，满足本工程具体的地形情况，达到保护自然生态 环境、降低工程造价、减少施工难度和缩短工期的目

39、的。 （ 5）采用合适的节间划分和布材方式，使铁塔传力路径清晰，铁塔主、斜材刚度协调、强度匹配，全塔结构受力均匀，充分发挥材料性能，达到节省塔材的目的。 （ 6）根据塔身各部分的受力特点，采取不同的统材方案， 做 到因材制宜，达到降低塔重的目的。 （ 7） 改进节点连接方式，优化局部构造，进一步降低塔重。 4.2 优化方法 优化设计计算方法的选择 , 是铁塔优化设计的前提。只有在确定计算程序的最优计算方法后才能对整个工程进行优化设计。在程序分析计算中每一次迭代中都要作一次结 构分析 ,因此设计变量的个数及迭代到收敛的迭代次数 , 就构成了问题的规模。正因为如此 ,数学规划法在铁塔计算的应用上受

40、到了限制。单纯的准则法所求的解 ,只是最优解附近的解 ,而非最优解。同时 ,某些结构准则法会导致结构退化、迭代不收敛的情况。我们在使用准则法中还发现 , 准则法迭代到收敛的迭代次数 , 几乎不受设计变量数的影响。于是 , 我们就将数学规划法的思想和准则法相结合 , 形成了目前在铁塔分析计算上应用的新准则法。既采用动态规划法和满应力准则法相结合的方法对铁塔进行优化设计 ，这样 会大大提高效率 , 并得到满意的结果。 4.2.1 动态规划法和满应力准则法相结合的设计方法 将铁塔作为桁架结构 , 次应力影响在优化设计后考虑。 用动态规划法和满应力准则法相结合设计铁塔的基本思路是 : 将铁塔自顶向下划

41、分为几个子结构 , 它具有无后效性。用满应力准则作为最优决策方法 , 依次自顶向下地进行。 由于铁塔结构的很多部分在几何上具有相似性 , 因此上述方法的计算效率大为提高。 下面给出动态规划法和满应力准则法相结合的具体计算方法。 目标函数为 =nkkWW1，=kmiikxkW1（ 4-1） 0ixk ,kmi ,2,1 = ,nk ,2,1 =式中 n 为子结构数 ;mk 为第 k 个子结构的杆件数 ; xki为第 k 个子结构的第 i 杆件的截面面积。 约束函数为 ),()()(2)(1)( lnplllpcccu =twl ,2,1 =（ 4-2） 式中 np 为子结构连接节点数 ; l 为

42、表示工况的上标 ; tW 为工况数。 对于第 k (k= 1, 2, , n) 个子结构 , 用满应力准则作为最优决策。 4.2.2 满应力算法 (1) 比例步 ,)0(ikickx = mki ,2,1 =对 ),()0()0(2)0(1nkkkkxxx 作各工况的有限元结构分析 , 求出第 k 个子结构各杆的最大内力)0(ikF, 进而计算应力比)0(ik ， /)0()0(iiikkk = ， )0()0()0(/kikkxFii= 用)0(ik分别修改各杆的截面面积 , 得到)0()0()1(kikkixxi= (2) 射线步 对 ),()1()1(2)1(1nkkkkxxx 作各工况

43、的有限元结构分析 , 求出各杆的最大内力)1(ikF, 进而计算应力比)1(ik， /)1()1(iiikkk = ， )1()1()1(/kikkxFii= 找出 ),max()1()1(2)1(1)1(maxnkkkk = 用)1(max统一修改各杆的截面面积 , 得)1()1()2(kikkixxi= (3) 计算 Wk 。 (4) 以)2(kix 为初始值重复进行比例步、射线步 , 即进行迭代。 (5) 迭代终止条件为 , 若上次的 Wk 小于或等于下次的 Wk , 则停止迭代。 4.2.3 动态规划计算法 1) 用满应力准则法确定第 k 个子结构。 (2) 在第 k 个和第 (k+1

44、) 个子结构相连的节点上 , 把第 k 个子结构在各种工况下的内力 作为第 (k+1) 个子结构的荷载。 (3) 用满应力法确定第 (k+1) 个子结构。 (4) 递推进行到最后一个子结构。 最后一个子结构的最优解 , 也就是整个铁塔的最优解。 (5) 考虑次应力的影响 , 对整个铁塔结构做次应力修改。 4.3 优化内容 以下内容主要以本工程 典型气象区 的 直线 塔 ZC2721 设计为例来进行阐述 ，其设计条件如下： 导线型号： 6XLGJ-630/45 地线型号： LBGJ-150-20AC 设计风速： 27m/s 设计冰厚： 10mm 水平档距： 460m 垂直档距： 600m 代表档

45、距： 400m 4.3.1 塔头型式优化 塔头布置型式是直线塔结构优化的关键，其布置的优劣将直接影响到铁塔整体造型是否美观，结构传力是否清晰，铁塔指标是否最优。前面已经论述了本工程自立式直线塔采用水平排列的“羊角型”塔，而满足这一要求的塔头又有不同的几种型式， 表 4-1给出了三种“羊角型”塔头的对比分析情况，从传力、外型、塔重等多方面考虑，本工程直线塔塔头型式采用 A方案。 4.3.2 横担型式优化 对于 V串挂线方式，直线塔横担普遍采用的是三角形横担 (如表4-2 中的方案 A、 D)，部分 采用梯形横担 (如表 4-2中的方 案 B 和方 表 4-1 直线 塔 塔头型式比较 方案 A方案（推荐） B方案 C方案 单 线 图 呼高 (m) 45 45 45 塔重（ kg） 28.16 28.55 28.81 相对 重量 1.000 1.014 1.023 优 点 1.外型美观、结构形式简单； 2.杆件受力、传力明确清晰； 3.塔重轻。 1.结构形式简单； 2.杆件受力、传力明确清晰； 1.传力路径清晰； 2.结构简单； 缺 点 1.横担正面部分斜材受力较大。 1.由于构造要求使得塔头较高； 2.杆塔较重。 1.塔头较为臃肿，节点处理较为复杂； 2.塔重最重。