Research on Control Conditions of 500 kV Double Circuit Tangent Angle Steel Tower Member

近年来伴随着我们经济的飞速发展，各地的用电需求也呈现较快的增长态势，对输电线路的建设需求日益增加。输电杆塔是输电线路的重要组成部分，是远距离输电的承载体系，在日常运行中主要承受横向和纵向的各类荷载，保证在输电环节中能将电能安全、可靠的运输到各个站点^[1]。输电杆塔的结构形式主要采用空间桁架结构，杆件主要由单根等边角钢或组合角钢组成，用材主要以Q235、Q355、Q420和Q460热轧型钢为主。我国幅员辽阔，各地区的自然环境复杂，输电杆塔除了承受正常运行时风、冰和导线等荷载外，还需要考虑起吊安装，突发断线等特殊工况的影响。

输电杆塔有着杆件数量多、型号多、布置形式复杂等特点，每一根杆件均需要满足杆塔建设到投运过程中所涉及全部工况，这对杆塔的设计、施工都是一大挑战。若能大致的了解杆塔中各杆件的控制形式及控制工况，这将有助于设计中有针对性地开展杆件优化，降低杆塔重量，在施工中识别敏感杆件，从而对其采取保护措施。将杆件计算受力情况与杆塔施工，运行时的实际受力情况相结合，能更好地了解杆件的实际受力状态，从杆件的受力角度增强对杆塔的感性认识，为今后的杆塔设计提供参考。

国内学者对杆塔荷载^[2-3]、覆水荷载^[4-5]、杆塔钢结构材料^[6-7]、复合材料^[8]和塔头布置^[9-10]等多个方向进行了深入的研究，但针对杆塔杆件控制形式及控制工况的研究尚不多见。文章以500 kV双回路直线塔为例，研究杆塔各杆件的控制形式及控制工况，并将其归类整理，为今后的直线塔设计提供参考。

文章以500 kV双回路直线角钢塔为研究对象，杆塔设计条件如表1所示，杆塔模型如图1所示。

Figure 1.  Tangent tower

输电杆塔虽然杆件数量众多，但铁塔结构存在对称性，杆件布置存在一致性，杆件的设计长度也有相应的要求，故将杆件按照所属部位进行划分有利于探寻各部位的控制工况的变化规律。

杆塔辅助材众多，布置形式复杂，主要是对受力杆件起支撑作用。杆塔横隔面的设计主要是确保杆塔的刚度与上人的需求，其杆件尺寸主要与主材尺寸相关。故文章不对上述两类杆件的受力情况展开研究，仅研究杆塔主要杆件的控制形式与控制工况。

文章将杆塔划分为地线支架，导线横担，变坡以上塔身，变坡以下塔身和塔腿，共五个部分。其中地线支架包含：上弦主材，下弦主材，正面杆件，顶面杆件，底面杆件。导线横担包含：上弦主材，下弦主材，正面杆件，顶面杆件，底面杆件。变坡以上塔身包含：塔身主材，塔身交叉材。变坡以下塔身包含：塔身主材，塔身交叉材。塔腿包含：塔腿主材，塔腿斜材。

各类型杆塔均应计算线路正常运行工况、断线工况、不均匀覆冰工况、验算冰工况和安装工况下的荷载组合，必要时还应验算地震等稀有工况下的荷载组合。文章案例的设计覆冰为0 mm，故不需考虑覆冰工况、验算冰工况，同时地震等稀有工况发生几率较少，且可在选线阶段进行针对性避让，故文章亦不考虑该类工况所产生影响。

直线塔的计算荷载主要由导线、地线挂点荷载和塔身风荷载组成。下文将照工况对挂点荷载进行整理，为之后的杆件计算打下基础。

正常工况是杆塔运行时承受时间最长的工况，也是最重要的设计工况。由于本算例设计风速为27 m/s，设计覆冰为0 mm，故杆塔的正常运行情况荷载组合为基本风速、无冰、未断线（包括最小垂直荷载和最大水平荷载的组合）。

部分典型正常工况荷载如表2所示，地线和导线的挂点荷载与导线的受风面积相关，90°大风工况的导线受风面积最大，故相应的挂点荷载也最大。

随着风向由90°逐渐变为0°时，X向荷载逐渐减小，Y向荷载逐渐增大，总荷载逐渐减小。

线路断线发生的概率很低，但一旦断线的情况发生，轻则中断供电，重则影响杆塔的安全，其造成的损失不可小觑^[11]。

直线塔的断线工况应按照−5 ℃、有冰（本算例设计覆冰为0 mm）、无风的气象条件。需计算同一档内的两种情况：（1）单导线断任意一相导线，地线未断；（2）断一根地线，单导线断任意一相导线。部分典型断线工况荷载如表3所示。

直线塔的安装工况应计算10 m/s风速、无冰、相应气温气象条件下的荷载组合^[12]。其中包括：

1）提升导、地线及其附件时的作用荷载。包括提升导、地线、绝缘子、金具等重量和安装工人及工具的附加荷载。

2）导线及地线锚线作业时的作用荷载。锚线对地夹角不宜大于20°。

部分典型安装工况荷载如表4所示，在安装工况中起吊工况总荷载大于锚线荷载。

综上，针对上述7个工况的地线支架和导线横担的挂点荷载，X向荷载最大的工况为90°大风工况，Y向荷载最大的工况为断线工况，Z向荷载最大的工况为起吊工况。总荷载最大的工况为起吊工况。

直线塔杆件的控制形式主要有稳定控制、强度控制、受拉控制，下文将基于这3种控制形式开展研究。

基于风速风向，荷载组合，断线轮换，安装工艺的考虑，在实际计算中，这3类主要荷载会组合出多种受力工况。下文将结合杆件划分及计算工况，对杆塔的各类杆件进行分析。

正常工况控制的杆件情况，详见表5。

针对地线支架，其顶部杆件主要由稳定控制，主要控制工况为0°大风。地线挂点荷载主要沿底面传递，顶面分担挂点荷载较少，故主要由塔身风荷载控制。

针对变坡以上塔身，主材主要由稳定控制，上横担到下横担处主要控制工况为45°大风，下横担到变坡位置处主要控制工况为60°大风。交叉材主要由稳定控制，中横担下弦杆至变坡处正面交叉材主要控制工况为90°大风。主材的控制工况逐渐向60°大风靠近。

针对变坡以下塔身，主材主要由稳定和强度控制，主要控制工况为60°大风。可以看出在这部分60°大风已经成为了主材的控制工况。塔身正面全部与塔身侧面下半部分交叉材主要控制工况为0°大风。由于同压效应增加了杆件的计算长度，平面外荷载结合同压所产生的效应大于平面内的荷载所产生的效应，故正面交叉材受平面外荷载控制。

针对塔腿，其主材主要由稳定控制，主要控制工况为60°大风工况。塔腿斜材主要由稳定控制，主要控制工况为0°大风。对于本算例杆塔主材的最大控制荷载为60°大风工况，该工况也直接影响了基础力的大小。

断线工况控制的杆件情况，详见表6。

针对地线支架，其上弦杆件由受拉控制，下弦杆件和底面杆件均由稳定控制，其正面杆件部分由受拉控制，部分由稳定控制，以上杆件的主要控制工况均为断地线工况。断地线工况是该部分最主要的控制工况，除了顶面杆件外，地线支架的全部杆件均受断地线工况控制，同时也表明地线支架对Y向荷载较为敏感，其杆件规格主要受Y向荷载控制。

针对导线横担，其下弦主材与底面杆件主要由稳定控制，主要控制工况为断导线，表明到导线横担的杆件与地线支架一样，对Y向的荷载较为敏感。

针对变坡以上塔身，上横担下弦杆至中横担上弦杆的正侧面交叉材主要由稳定控制，主要控制工况为断地线。断地线工况对于正面交叉材为平面外荷载，主要是由于同压增加了杆件的计算长度，而上横担下弦杆至中横担上弦杆处风荷载的叠加效应尚不明显，故杆件受断地线工况控制。变坡以上塔身侧面交叉材主要由稳定控制，主要控制工况为断地线。

针对变坡以下塔身，侧面靠近变坡位置的部分交叉由稳定控制，主要控制工况为断地线。由于风荷载的经叠加后仍未大于断线荷载，故呈现出断线工况控制，随着风荷载的继续叠加，往下的某个节点会出现风荷载大于断地线荷载的情况。

安装工况控制的杆件情况，详见表7。

针对导线横担，其上弦杆主要由受拉控制，主要控制工况为起吊导线，而起吊导线工况的最主要组成部分是Z向荷载，即导线横担上弦杆主要受Z向荷载控制。

针对变坡以上塔身，仅有其最上端的交叉材为起吊导线控制，其主要是传递导线横担上弦杆专递的荷载，使该交叉材承受了从上往下的压力。

正常工况控制了杆塔的大部分主材，大部分正面交叉材和小部分侧面交叉材。其中60°大风控制是塔腿的主材的控制工况，该工况也直接影响了基础力的大小。60°大风工况影响着杆塔中一大批规格较大的杆件，对塔重有着举足轻重的影响。

断线工况控制了地线支架的大部分材料，导线横担的下弦杆和底面杆件，绝大部分侧面交叉材和小部分正面交叉材。该工况是Y向荷载最大的工况，主要对交叉材起控制作用。

安装工况控制了导线横担的上弦杆和个别交叉材料，在三种主要设计工况中，控制的杆件数量最少。

针对地线支架和导线横担，其上弦杆则主要有受拉控制。若上弦杆根部低于挂点，则该上弦杆由断线控制；若上弦杆根部高于挂点，则该上弦杆由起吊工况控制。地线支架除了顶面杆件，导线横担除了上弦杆及零杆，其余杆件均由断线工况控制，由于断线工况是Y向荷载最大的工况，即该类杆件主要受Y向荷载控制。

杆塔中有相当一部分杆件由于同压作用受平面外的荷载所控制，这部分杆件主要为杆塔正面上横担下弦杆至中横担上弦杆交叉材，变坡以下交叉材这两部分。

杆塔大部分杆件为稳定控制，在设计中可合理设置支撑杆件以减少其计算长度，从而实现减少构件面积的效果。

部分变坡以下主材为强度控制，针对该类杆件，增加支撑亦对杆件安全帮助不大，由于变坡以下材质较为统一，故应关注杆件截面积及其利用率，在设计时不应使其利用率过满。

针对由起吊工况控制的杆件,如横担上弦杆，塔头交叉材，可结合施工单位的安装技术进行设计，必要时可提醒施工单位不应采用双倍起吊等增加额外荷载的施工方式，确保杆件安全。

直线型杆塔结构形式多样，构件规格众多，其杆件的控制工况和杆塔的拓扑结构，设计气象条件，导线截面等都有一定的关系，随着设计条件的变化，杆件的控制工况可能会发生改变。

文章以设计覆冰为0 mm，设计风速为27 m/s的500 kV双回路直线塔为例，分别对正常工况，断线工况，安装工况所控制的杆件进行了分类和研究，总结归纳出各类杆件的控制工况，并提出了直线塔的优化建议。

1）针对挂点荷载，X向荷载最大的工况为90°大风工况，Y向荷载最大的工况为断线工况，Z向荷载最大的工况为起吊工况。总荷载最大的工况为起吊工况。

2）正常工况控制了杆塔大部分主材，且60°大风工直接影响了基础力的大小。断线工况控制了杆塔大部分交叉材、地线支架下弦杆、导线横担下弦杆，该类构件主要受Y向荷载影响。安装工况控制的杆件最少，主要是导线横担的上弦杆。

3）杆塔中有相当一部分杆件由于同压作用受平面外的荷载所控制，这部分杆件主要为杆塔正面上横担下弦杆至中横担上弦杆交叉材，变坡以下交叉材这两部分，在设计中应给予注意。

4）可根据杆件的受力情况采用增加支撑或增大截面的方式对杆塔进行设计，应结合施工技术，对由安装工况控制的杆件进行设计。