鋼管桿在架空電力線路中的應(yīng)用與優(yōu)化

鋼管桿以其占地小、基礎(chǔ)不影響其他管線的敷設(shè)、附件設(shè)計(jì)靈活多樣、塔材不易被盜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城區(qū)、市郊、開(kāi)發(fā)區(qū)輸電線路工程中。近年來(lái)，農(nóng)網(wǎng)改造工程持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)，電力線路新建改造工程日益增多；同時(shí)，城市建設(shè)步伐加快、城市用電量迅速增長(zhǎng)、市政建設(shè)道路修擴(kuò)以及地塊開(kāi)發(fā)等諸多因素，架空電力線路增設(shè)、改建、遷移要求也越來(lái)越多。因城市線路通道有限，多回路架設(shè)應(yīng)用越來(lái)越多，在這種條件下，城市鋼管桿在城市電力線路中優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯，另外，隨著Q390、Q420甚至更高強(qiáng)度的鋼材應(yīng)用，鋼管桿可以設(shè)計(jì)得更加緊湊、美觀。但正是由于鋼管桿這些特點(diǎn)，鋼管桿的鋼材用量比較大，其材料費(fèi)用在整個(gè)線路工程中所占的比例也遠(yuǎn)比自立式鐵塔高。綜合考慮制造工藝、施工方法（包括運(yùn)輸安裝）以及運(yùn)行維護(hù)和環(huán)境因素，本文結(jié)合以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出鋼管桿設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)和方法，以達(dá)到減輕重量、節(jié)約鋼材并降低工程造價(jià)的目的。

1

鋼管桿的截面及分段

通過(guò)分析比較鋼管桿截面特性，環(huán)形截面具有較好的受力特性，其次是十六邊形，再次是十二邊形……邊數(shù)越多受力越優(yōu)、材料相對(duì)耗用小，但加工難度增大。

由于鋼管桿壁厚逐漸變化，需要分若干段，一基桿塔中間法蘭不宜超過(guò)4個(gè)。但又受到運(yùn)輸和模壓、熱鍍鋅的工藝限制，每段桿段長(zhǎng)度宜確定在10m左右，當(dāng)壁厚較大時(shí)（>22mm），還應(yīng)根據(jù)加工廠的設(shè)備能力適當(dāng)減少段長(zhǎng)，否則將無(wú)法壓制。

2

鋼管桿力學(xué)性能相關(guān)計(jì)算

由《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》相關(guān)條文知道，鋼管桿力學(xué)模型為一個(gè)懸臂梁，由水平力FH引起的擾度；由彎矩M引起的擾度；式中；L1為力或彎矩作用點(diǎn)高度；c、和φ分別為與截面形狀有關(guān)的常數(shù)；E為鋼材彈性模量，近似為常數(shù)。

法蘭螺栓的拉力可按公式計(jì)算，其中：M為法蘭所受彎矩；N為法蘭所受的軸向作用力，壓力時(shí)取用負(fù)值；Yi―螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離；Y1―受力螺栓中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離。

地腳螺栓分布圓直徑應(yīng)滿足公式，其中：DG為鋼管桿根徑，mm；d為螺栓直徑，mm。

3

鋼管桿的根徑、梢徑及錐度

從鋼管桿相關(guān)特性計(jì)算公式上可以知道，鋼管桿的撓度與截面慣性矩IB成反比，對(duì)其擾度控制起決定性作用的是根徑的數(shù)值，鋼管桿根徑DG對(duì)撓度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壁厚t。在其他外形參數(shù)不變的情況下，擴(kuò)大梢徑或根徑尺寸，均可使鋼管桿的整體剛度顯著。鋼管桿的錐度大小由桿的荷載大小決定荷載越大，彎矩包絡(luò)圖斜率就越大，從而需要越大的錐度以保證受力合理。但由于撓度控制的要求，梢徑不能過(guò)小，故錐度過(guò)大又勢(shì)必導(dǎo)致根徑過(guò)大，一方面浪費(fèi)材料，同時(shí)嚴(yán)重影響美觀。

通常，直線桿的梢徑取250～400mm，錐度取1/75左右；0～20°轉(zhuǎn)角桿取300～500mm，錐度取1/65左右；20～40°轉(zhuǎn)角桿取400～600mm，錐度取1/55左右；40～60°轉(zhuǎn)角桿取500～700mm，錐度取45左右；60～90°轉(zhuǎn)角桿取600～800mm，錐度取1/35左右。

當(dāng)桿塔荷載不同時(shí)，綜合占地、美觀、材料量、撓度等因素，桿塔的梢徑和錐度應(yīng)該根據(jù)荷載大小進(jìn)行優(yōu)化。

4

優(yōu)化計(jì)算方法

分析鋼管桿荷載情況可以知道，鋼管桿承受的彎矩主要來(lái)自三方面：導(dǎo)地線風(fēng)荷載、導(dǎo)地線張力和桿身風(fēng)荷載；其中由導(dǎo)地線引起的彎矩為占較大比例。

在鋼管桿設(shè)計(jì)時(shí)，先利用常用的梢徑、錐度值，計(jì)算出桿塔的根徑。根據(jù)桿塔使用條件，設(shè)計(jì)出鋼管桿的單線圖，計(jì)算出鋼管桿根部彎矩及軸向作用力以及力的作用高度。根據(jù)鋼管桿的荷載情況，可以計(jì)算出鋼管桿根部螺栓規(guī)格及分布圓。由于地腳螺栓規(guī)格一般是M24、M30、M36等，計(jì)算時(shí)可以通過(guò)調(diào)整地腳螺栓數(shù)量及分布圓情況，使地腳螺栓為使地腳螺栓充分利用。根據(jù)計(jì)算得到的地腳螺栓分布圓可以反推得到鋼管桿根部直徑，然后根據(jù)鋼管桿局部穩(wěn)定計(jì)算及桿塔擾度限值，調(diào)整鋼管桿的梢徑、錐度、壁厚、分段長(zhǎng)度等參數(shù)，使鋼管桿的板材得到充分利用。

鋼管桿根據(jù)根徑調(diào)整相關(guān)外形參數(shù)后，會(huì)導(dǎo)致桿塔的荷載情況有所變化，這個(gè)變化主要為桿塔風(fēng)荷載和重力荷載的變化，相對(duì)較小，因此計(jì)算地腳螺栓時(shí)留2%～3%的余量即可。

5

計(jì)算舉例

以國(guó)網(wǎng)公司典型設(shè)計(jì)（2011版）1GGE4-SJ4型鋼管桿為例，計(jì)算導(dǎo)地線在鋼管桿根部引起的彎矩值為9645kN?m，水平力為328kN，合力作用點(diǎn)高度為29.4m，按擾度控制在10‰左右，可以初步估算出根部直徑為1700mm，壁厚為14mm，地腳螺栓規(guī)格為36M64（綜合應(yīng)力比80％），根據(jù)估算直徑，優(yōu)化計(jì)算鋼管桿對(duì)比結(jié)果。

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算可以知道，初步估算出鋼管桿根徑和壁厚后，通過(guò)調(diào)整梢徑、分段長(zhǎng)度，可以使鋼管桿材質(zhì)的綜合應(yīng)力比更加合理、均衡，從而達(dá)到降低重量的目的。

6

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)鋼管桿上導(dǎo)地線的荷載情況，優(yōu)先確定鋼管桿的根部尺寸及地腳螺栓規(guī)格，進(jìn)一步優(yōu)化鋼管桿根部桿段，自下而上的計(jì)算鋼管桿桿身，從而可以使鋼管桿優(yōu)化計(jì)算工作量大大減少，也可以使鋼管桿的錐度、壁厚和分段長(zhǎng)度設(shè)置更加合理，使每一段鋼管桿的板材可以更地使用。

對(duì)于輸電線路的鋼管桿，特別是轉(zhuǎn)角鋼管桿，其設(shè)計(jì)選材結(jié)果往往是撓度控制而非強(qiáng)度控制。現(xiàn)在已經(jīng)有多種鋼管桿計(jì)算軟件，可以通過(guò)計(jì)算確定一個(gè)較合理的鋼管桿根部尺寸，然后在軟件建立相關(guān)模型，利用軟件計(jì)算功能調(diào)整桿身截面尺寸、直徑、壁厚和錐度等，直到滿足規(guī)程相關(guān)規(guī)定為止。從而減少手工計(jì)算的工作量，同時(shí)也利于鋼管桿計(jì)算優(yōu)化，材料的利用率，設(shè)計(jì)出更輕的鋼管桿。