输电工程铁塔结构优化设计应用

苏一鸣

中国电建集团江西省电力设计院有限公司 江西南昌 3330096

摘要：随着近年电网工程建设不断发展，特高压及其配套电网工程有序开工建设，工程规模投资不断加大，本文以输电线路工程铁塔为研究对象，对螺栓无扣长优化设计、杆塔结构布置方案的优化设计、推荐采用输电铁塔设计加工一体化平台，优化规划后的杆塔系列每公里塔重，塔身斜材布置型式及节间的优化后做到经济、美观、满足构造的要求。

关键词：杆塔结构、螺栓直径面积、垫圈用量、塔重节约

引言：输电工程铁塔结构优化设计对优化经济指标有着积极的意义，本文对螺栓、杆塔结构布置优化及推荐采用输电铁塔设计加工一体化平台进行相关阐述。

1.1 设计依据

• 《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB 50545-2010) ；

• 《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2012）；

• 《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）；

• 《高耸结构设计规范》（GB 50135－2006）；

• 《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)；

• 《输电线路铁塔制图和构造规定》(DL/T 5442-2010)；

• 其他有关规程、规范、技术规定和参考资料。

1.2 螺栓无扣长优化

“受剪螺栓的螺纹不应进入剪切面“是《送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154－2012）的明确要求。螺纹进入剪切面后，直接承担剪力的剪切面减小了，即由毛面积变成了净面积，螺栓的抗剪能力相应降低为原设计的78%，明显地压缩了螺栓的安全储备,这是其最主要危害。下表即为常用螺栓的毛面积和净面积。

表1 常用螺栓毛面积和净面积

目前设计单位一般按《输电线路铁塔制图和构造规定》（DL/T5442－2010）和国家电网公司输电线路典设设计《铁塔制图和构造规定》中的规定确定螺栓规格。根据该规定，各规格螺栓有各自的无扣长和通过厚度。要避免螺纹进入剪切面，设计制图人员在选定螺栓规格时，除必须考虑通过厚度外，还必须考虑每种螺栓无扣长及其具体的穿入方向，这给设计制图人员增加了很大的工作量。由于这项工作枯燥而繁琐，出现差错的概率很高。而目前国内一般制图软件也只根据通过厚度一项指标确定螺栓长度，这样实际上铁塔结构图中就存在较多的安全隐患。其次，即便铁塔结构图中各螺栓标注在设计人员反复核对后做到了准确无误，安装人员在操作中也可能出现一些差错；或者因为图中螺栓图例不够清晰，或者因为安装者仅根据通过厚度选配螺栓，没有考虑到螺栓安装的更多要求。而安装完毕后的铁塔螺栓一般也只是根据外露丝扣确定螺栓安装是否合适，而对“螺纹是否进入剪切面”并没有检查，这样带有不安全隐患的铁塔便移交给了业主。

事实上，按照现行相关规定，设计者、安装者仅根据螺栓通过厚度一项指标来确定其规格，出现部分差错是必然的。因为只要螺帽侧（注意：非螺母侧）构件厚度（或螺帽侧构件厚度之和）大于无扣长，就必然出现螺纹进入剪切面（或螺母侧剪切面）的情况。以实际工程中应用较多的M16×45螺栓为例，其无扣长为12mm，允许通过厚度为13～22mm，只要螺帽侧构件厚度大于12，就必然出现螺纹进入剪切面的情况。

1.2.1 优化方法

按照目前送电线路铁塔采用的角钢及钢板，选用M16螺栓时最小受力角钢一般为L40×4，相应最小钢板厚度为5mm，故理论上将M16螺栓的无扣长定为其最大通过厚度减去3mm则避免了螺纹进入剪切面的情况。同样，选用M20螺栓时最小受力角钢为L63×5，相应最小钢板厚仍为5mm，故理论上将M20螺栓的无扣长定为其最大通过厚度减去4mm则避免了螺纹进入剪切面的情况。最后，选用M24螺栓时最小受力角钢为L140×10，钢板厚度不会小于10mm，故理论上将M24螺栓的无扣长定为其最大通过厚度减去9mm则避免了螺栓进入剪切面的情况。单帽螺栓按此修改后,双帽螺栓及防卸螺栓同样据此修改。

有些铁塔采用了L40×3的角钢作为辅助材，经计算知即便采用最低级别的4.8级M16螺栓其净面积的抗剪切能力远远大于角钢孔壁承压能力，也就是说对于L40×3角钢，即使螺纹进入剪切面，螺栓在受剪强度方面也不存在安全问题。事实上，L40×3角钢一般纯粹用做辅助材，本身受力就很小。由于不影响安全，又可适当减少垫圈，故此时M16螺栓的无扣长仍按L40×4角钢确定。

1.2.2 优化后垫圈增加数量的确定

由于无扣长的加大，势必增加螺母侧垫圈的用量。假定每种螺栓的每一种通过厚度在送电线路铁塔上均匀分布，则每种螺栓需要安装的垫圈数量（即为表中理论垫圈数量）为：

各规格螺栓优化后的无扣长及需安装的垫圈数量见表7。该表中垫圈数量均按其厚度为3mm确定，即M24螺栓也可采用该厚度垫圈（当然也可采用4mm厚垫圈）。表中“考虑误差垫圈数量”为假定所有实际加工后螺栓的无扣长比优化后的规定值多1mm时的计算结果。由此表计算结果可知，总体来说按铁塔全部M16螺栓数量1∶1.2、全部M20螺栓数量1∶0.9、全部M24螺栓数量1∶0.1备好相应的垫圈是可满足安装要求的。考虑到更大加工误差的可能性，实际应用中可适当增加。而当设计者指定采用4mm厚垫圈时，垫圈用量则会显著减少。

表2

1.2.3 优化螺栓无扣长后的突出优势

a、设计人员、安装人员不需考虑无扣长及穿入方向，只须根据通过厚度一项即可确定螺栓长度，大大提高了设计制图的效率，安装时不易产生差错，铁塔的安全容易保证。

b、采用优化后的螺栓同样适用于套用的铁塔图纸。因为通过厚度没有改变，原图中螺栓标注、规格等项目均不需修改，只需对螺栓加工要求一项进行修改即可，这样就会使原图中可能存在的一些螺纹进入剪切面的螺栓得到纠正。

1.2.4 优化螺栓无扣长后的缺点

相比螺栓无扣长优化前，需要增加少量垫圈，对于M16、M20螺栓多数情况下如不加装垫圈则螺栓无法拧紧。

1.2.5 螺栓无扣长优化结论

螺栓无扣长优化后，设计人员选择规格更方便准确，不受穿入方向的影响；安装时一般需要增加垫圈，但选择规格不易出错。增加的垫圈数量虽然大，费用却不多，基本上避免了设计、安装环节在螺栓选用时的差错，铁塔的安全运行更易得到保障。

1.3 杆塔结构布置方案优化

1.3.1 铁塔口宽及塔身坡度的优化

塔身上下口宽的大小直接影响铁塔的整体刚度和塔重。口宽越小，塔头的刚度就越小，塔头位移及变形就越大，头部塔身主材内力也越大，塔重自然增加，反之则减小；随着铁塔口宽的不断加大，铁塔越来越重，因此，最合适的口宽就是在确保铁塔的整体刚度下，尽量减小口宽，以充分利用构件的承载潜能，实现塔重最轻的目标。

口宽的大小不仅与铁塔整体的刚度（变形）有关，同时也与塔身坡度有关。当口宽一定时，塔身坡度越小，铁塔斜材就短，同时，斜材受力也越小，斜材重量将会减轻，但铁塔主材内力将加大，主材规格就越大，根据计算，铁塔主材一般要占整个塔重的40％左右，主材的大小对塔重的影响最大，因此，坡度越小塔重反而会增加。反之，塔身坡度越大，根开就越大，塔身主材内力就越小，主材规格就相应减小，但此时，铁塔斜材长度会增长，内力随之而增大，斜材规格将会急剧增加，斜材基本受长细比控制，很明显，也是不经济合理的。同时塔身坡度的大小直接影响到基础作用力和征地范围的大小，塔身坡度越小，基础作用力就越大；塔身坡度越大，基础作用力就越小，但塔基征地范围加大，因此，合适的塔身坡度是铁塔结构优化设计的关键。

对铁塔走廊宽度、占地面积及基础耗材量多方面因素的综合对比，建议所规划的单回路直线塔塔材坡度考虑10～13%。

单回路转角塔采用相同的分析方法，得出塔身最优坡度为15～18%。

1.3.2 节间优化

塔身斜材的布置及节间的优化应考虑到塔身交叉材是否同时受压，交叉斜材对主材交角螺栓布置的简洁性，塔身各呼高多接腿的互相衔接，塔腿主材对斜材最小构造交角等多方面的因素合理调节斜材型式及节间优化。

1.3.3 塔身断面型式

塔型结构有矩形和方形断面两种，本标段铁塔建议采用方形断面。

1.4 输电铁塔设计加工一体化平台

根据铁塔计算结果直接建立高精度铁塔三维模型，程序自动导出高精度的施工安装用二维施工图和加工用零件图，并同时提供塔材的优化打包、成品库存管理的铁塔成品管理功能，实现设计、加工一体化。零件加工图责任的前移，统一了零件加工图，铁塔构件替换、特别是铁塔局部抢修时不需要找原加工单位放样资料。

高精度铁塔三维模型

螺栓、连板、构件位置自动检验

自动导出二维结构图

自动生成加工用零件图

铁塔构件的分包处理

铁塔成品管理

2 结论

由于塔型系列应用于各工程时，有一定的局限性，存在一定的优化空间。本报告根据某个工程将塔型方案和优化规划的塔型方案分别应用于中，结果显示，优化规划后的杆塔系列每公里塔重能节省约1.72％。

铁塔结构优化设计主要体现在以下几个方面：

（1）500kV铁塔主材考虑应用Q420高强钢设计。螺栓材料选用6.8级的M16及M20，Q420L160x10规格及以上考虑8.8级M24螺栓。

（2）螺栓采用优化无扣长设计，避免螺栓进入剪切面，使得铁塔的安全运行更易得到保障。

（3）单回路直线塔塔身经济上口宽为满足电气间隙的最小尺寸，直线塔身经济坡度为10～13%，转角塔经济坡度为15～18%。

（4）塔身斜材布置型式及节间的优化需做到经济、美观、满足构造要求。

（5）积极推荐采用输电铁塔设计加工一体化平台。