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【摘 要】目前，送电铁塔设计软件中应用的是满应力准则法。本文主要针对窄基钢管塔设计，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，对铁塔进行整体和局部优化，通过对窄基钢管塔结构优化设计，力求结构形式简洁、传力路线清晰；节点处理合理，利于加工安装和运行安全；结构布置紧凑，节约线路走廊宽度；节间划分合理，充分发挥构件的承载能力；选材合理，降低铁塔钢材耗量，使铁塔造价经济。
【关键词】输电线路 窄基钢管塔 设计优化
一、塔头型式优化
在满足塔头电气间隙的要求下，对钢管塔导线横担和地线横担进行设计优化，缩短导线及地线横担长度，减小在安装工况和断线工况下产生的塔身扭力，从而减少钢材耗用量。
二、塔身坡度优化分析
塔身坡度是影响塔重的主要因素之一，塔身坡度的确定，要综合考虑铁塔主斜材受力，基础作用力大小，铁塔根开大小等因素，力求做到铁塔和基础综合造价最低。在相同荷载条件下，塔身坡度和塔身平均宽度对塔重有明显的影响。 而合理的塔身坡度不仅能使主材应力分布的变化和材料规格的变化相协调，主材的受力状态较均匀，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。对于较高的直线塔，塔身主斜材内力的变化并不是线性的，从受力特性来看，塔身采用一个坡度显然是不合适的。针对不同的主材分段进行坡度调整，不仅可以优化主斜材的受力，还可以降低挡风面积，减少斜材长度，从而节省塔材用量，还可使结构美观。然而变坡次数增加，也会造成节点偏心次数的增加，结构次生内力的增加，不但起不到优化塔重的效果，反而使节点处理过于复杂，因此如何选取变坡次数及变坡位置是很关键的。我们在窄基钢管塔塔身变坡设计时，要力求铁塔重量最轻，基础作用力较小，基础根开适宜，铁塔及基础的综合造价最优。
三、塔身断面型式分析
塔身断面型式一般有矩形（扁塔）、正方形（方塔）两种。方形断面的直线塔刚度好，但是钢材用量要多一些；矩形断面适合于直线塔的受力特点，钢材用量较省。在同等条件下，矩型塔与方型塔相比塔重相差较小，优势并不明显，反而由于其正侧根开不同，节点交错布置，对制图、加工、安装均增加了困难。另外考虑到诸多因素对铁塔纵向刚度的影响，塔身采用正方型断面型式可增强塔身顺线方向刚度，提高了耐断线冲击和防串级倒塔的能力，有利于提高设计效率，降低加工、施工复杂程度。
四、塔身斜材坡度优化分析
窄基钢管塔设计时，应在合理范围内减少杆件数量，保持结构形式简洁明快，塔身正面设计应简化斜材布置，推荐采用“型式一”。当交叉斜材角钢的截面偏大时，改用钢管，斜材与水平面的夹角a控制在35°～45°之间。
五、横隔面设置优化分析
由于钢管塔塔身尺寸较小，横隔多采用简单的十字交叉形式，以求降低横隔面重量。根据构造要求：在铁塔塔身变坡处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿顶部断面处必须设置横隔面；在塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度的5倍，也不宜大于4个主材分段。合理设置横隔面可加强铁塔整体刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、减小塔重、均衡塔身构件内力具有明显的作用。
六、主材布置及节间优化
铁塔构件的承载能力与构件的长度、截面面积、宽厚比及材料强度有关。当构件的规格由强度控制时，构件需要选取的截面面积（规格）与其所承担的内力成正比，内力愈大，所需截面面积愈大。当构件的规格由稳定控制时，构件规格的选取则不仅仅与其所承担的内力有关，还与构件本身的长度有关，内力不变时，构件的长度越长，所需规格越大；而长度不变时，内力越大，所需规格也越大。因此，当外荷载一定时，构件计算长度确定合适与否会严重影响其截面的选择，直接影响塔重。衡量主材节间划分是否合适的重要参考是构件强度与稳定相当时的计算长度（即临界长度）。主材计算长度小于临界长度，则材料为强度控制选材，大于则为稳定控制选材。节间划分还需考虑主材分段的影响。为了便于加工，实际在设计和绘图时，需在一定高度范围内将主材上、下段统一为一种规格。由于下段主材内力要大于上段主材内力，因此在统材段内尽量使上段主材节间划分后的计算长度大于下段，这样可充分发挥上段材料的承载能力。对于主材的分段统材，应按照“物尽其用”的原则来指导塔身的分段，有时当上、下段主材可以归为两种不同规格时，如果规格差别不大，其减小的重量如不能抵消主材接头引起的重量增加，此时应采取统材的策略。在调整主材节间布置时，应注意上、下段内交叉斜材的问题。因为上部斜材受力较大、但长度较短，下部则相反。从实际操作中应通过调整节间的布置，保证统材段内的主、斜材尽量达到较高的应力，鉴于材料规格的不连续，即使不能达到较高的应力比，至少达到较为一致的应力比。
七、节点连接优化措施
节点构造是设计的一个重要环节，直接关系到构件承载力设计值和实际受力是否相符，对杆塔的安全运行十分重要，同时也影响杆塔重量。在窄基钢管塔设计中应避免相互连接杆件夹角过小，减小杆件的负端距；节点连接要紧凑、刚度要大，节点板面积小；尽量减小杆件偏心，避免节点板受弯；两面连接的杆件避免对孔布置，减小杆件断面损失；合理确定杆件长度，减少包铁连接数量。
八、结束语
杆塔工程是线路设计的重要组成部分，杆塔工程造价约占整个工程本体造价的40%左右，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，在确保质量、安全适用的前提下，合理进行杆塔优化设计是关键，合理采用窄基钢管塔可以降低工程造价和对周围环境影响，做到线路设计的“资源节约型”和“环境友好型”。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.110kV～750kV架空输电线路设计规范（GB 50545 - 2010）.中国计划出版社.2010
[2]中华人民共和国电力行业标准.架空输电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T 5154 -2012）.中国电力出版社.2012
[3]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB 50017 - 2003）.中国建筑工业出版社.2003
[4]郭思顺.架空输电线路设计基础. 中国电力出版社.2010.
【关键词】输电线路 窄基钢管塔 设计优化
一、塔头型式优化
在满足塔头电气间隙的要求下，对钢管塔导线横担和地线横担进行设计优化，缩短导线及地线横担长度，减小在安装工况和断线工况下产生的塔身扭力，从而减少钢材耗用量。
二、塔身坡度优化分析
塔身坡度是影响塔重的主要因素之一，塔身坡度的确定，要综合考虑铁塔主斜材受力，基础作用力大小，铁塔根开大小等因素，力求做到铁塔和基础综合造价最低。在相同荷载条件下，塔身坡度和塔身平均宽度对塔重有明显的影响。 而合理的塔身坡度不仅能使主材应力分布的变化和材料规格的变化相协调，主材的受力状态较均匀，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。对于较高的直线塔，塔身主斜材内力的变化并不是线性的，从受力特性来看，塔身采用一个坡度显然是不合适的。针对不同的主材分段进行坡度调整，不仅可以优化主斜材的受力，还可以降低挡风面积，减少斜材长度，从而节省塔材用量，还可使结构美观。然而变坡次数增加，也会造成节点偏心次数的增加，结构次生内力的增加，不但起不到优化塔重的效果，反而使节点处理过于复杂，因此如何选取变坡次数及变坡位置是很关键的。我们在窄基钢管塔塔身变坡设计时，要力求铁塔重量最轻，基础作用力较小，基础根开适宜，铁塔及基础的综合造价最优。
三、塔身断面型式分析
塔身断面型式一般有矩形（扁塔）、正方形（方塔）两种。方形断面的直线塔刚度好，但是钢材用量要多一些；矩形断面适合于直线塔的受力特点，钢材用量较省。在同等条件下，矩型塔与方型塔相比塔重相差较小，优势并不明显，反而由于其正侧根开不同，节点交错布置，对制图、加工、安装均增加了困难。另外考虑到诸多因素对铁塔纵向刚度的影响，塔身采用正方型断面型式可增强塔身顺线方向刚度，提高了耐断线冲击和防串级倒塔的能力，有利于提高设计效率，降低加工、施工复杂程度。
四、塔身斜材坡度优化分析
窄基钢管塔设计时，应在合理范围内减少杆件数量，保持结构形式简洁明快，塔身正面设计应简化斜材布置，推荐采用“型式一”。当交叉斜材角钢的截面偏大时，改用钢管，斜材与水平面的夹角a控制在35°～45°之间。
五、横隔面设置优化分析
由于钢管塔塔身尺寸较小，横隔多采用简单的十字交叉形式，以求降低横隔面重量。根据构造要求：在铁塔塔身变坡处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿顶部断面处必须设置横隔面；在塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度的5倍，也不宜大于4个主材分段。合理设置横隔面可加强铁塔整体刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、减小塔重、均衡塔身构件内力具有明显的作用。
六、主材布置及节间优化
铁塔构件的承载能力与构件的长度、截面面积、宽厚比及材料强度有关。当构件的规格由强度控制时，构件需要选取的截面面积（规格）与其所承担的内力成正比，内力愈大，所需截面面积愈大。当构件的规格由稳定控制时，构件规格的选取则不仅仅与其所承担的内力有关，还与构件本身的长度有关，内力不变时，构件的长度越长，所需规格越大；而长度不变时，内力越大，所需规格也越大。因此，当外荷载一定时，构件计算长度确定合适与否会严重影响其截面的选择，直接影响塔重。衡量主材节间划分是否合适的重要参考是构件强度与稳定相当时的计算长度（即临界长度）。主材计算长度小于临界长度，则材料为强度控制选材，大于则为稳定控制选材。节间划分还需考虑主材分段的影响。为了便于加工，实际在设计和绘图时，需在一定高度范围内将主材上、下段统一为一种规格。由于下段主材内力要大于上段主材内力，因此在统材段内尽量使上段主材节间划分后的计算长度大于下段，这样可充分发挥上段材料的承载能力。对于主材的分段统材，应按照“物尽其用”的原则来指导塔身的分段，有时当上、下段主材可以归为两种不同规格时，如果规格差别不大，其减小的重量如不能抵消主材接头引起的重量增加，此时应采取统材的策略。在调整主材节间布置时，应注意上、下段内交叉斜材的问题。因为上部斜材受力较大、但长度较短，下部则相反。从实际操作中应通过调整节间的布置，保证统材段内的主、斜材尽量达到较高的应力，鉴于材料规格的不连续，即使不能达到较高的应力比，至少达到较为一致的应力比。
七、节点连接优化措施
节点构造是设计的一个重要环节，直接关系到构件承载力设计值和实际受力是否相符，对杆塔的安全运行十分重要，同时也影响杆塔重量。在窄基钢管塔设计中应避免相互连接杆件夹角过小，减小杆件的负端距；节点连接要紧凑、刚度要大，节点板面积小；尽量减小杆件偏心，避免节点板受弯；两面连接的杆件避免对孔布置，减小杆件断面损失；合理确定杆件长度，减少包铁连接数量。
八、结束语
杆塔工程是线路设计的重要组成部分，杆塔工程造价约占整个工程本体造价的40%左右，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，在确保质量、安全适用的前提下，合理进行杆塔优化设计是关键，合理采用窄基钢管塔可以降低工程造价和对周围环境影响，做到线路设计的“资源节约型”和“环境友好型”。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.110kV～750kV架空输电线路设计规范（GB 50545 - 2010）.中国计划出版社.2010
[2]中华人民共和国电力行业标准.架空输电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T 5154 -2012）.中国电力出版社.2012
[3]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB 50017 - 2003）.中国建筑工业出版社.2003
[4]郭思顺.架空输电线路设计基础. 中国电力出版社.2010.