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大跨越钢管塔结构设计探讨
大跨越钢管塔结构设计探讨 这些年以来有西电东送，还有三峡的外送，还有区域联 网这些工程项目，目前国内出现了好多大的工程项目。在这 些期间，要想跨越这些要求，关键就是要跨越塔的设计还有 跨越塔的结构设计。在一些设计经验方面我国是很有经验的， 形式有一开始的是钢筋混凝土的，还有一些其他的专门的结 构等一些其他专业的结构，并且局面很好，多种结构形式一 起良性共同发展。本文力求回顾一下跨越塔的设计要求和发 展，主要研究跨越塔的形式以及钢管的结构，要从多方面要 求来说明现在钢管塔的设计以及应用的一些情况，并且我们 也有了一些经验教训。1跨越塔发展形势如下 大型的跨越塔结构类型有：组合钢、钢筋混凝土、焊接 钢板以及钢管等。在优势方面，他们也有好多的优势的，比 如说在一些设计上。1957年，第一座钢筋混凝土结构的输电 路线高塔就是我国设计的，并且取得了成功，结构还是钢筋 混凝土的材料，在1990年，南京有世界上最高的大胜关跨越 塔，材料也和以上一样。所以说这个材料很受欢迎，江阴的 大跨越塔的材料正如你知道的，材料也是焊接钢板格构式结 构，设计的地方是广东东莞，也是输电线路塔一个比较成功 的典型代表，为了解决一些钢结构的力学问题往往我们就会 采用厚度大约65mm左右的钢板，这个也是一种新的思路。在 1974年，好多都是利用了大型的输电塔，并且他们第一次完成了设计实践。从当前的现状来说呢，人们也越来越多的都 利用了大跨越输电线路铁塔，在材料利用上也采用了钢管的 结构，在设计领域中，我国位置越来越重要了，我国也充当 了很多重要的角色。钢管塔是重要的输电线路。说到钢管结 构模式，好多都是用的应用于输电线路大跨越塔，其中国内 外的电视塔通信塔以及导航塔，钢管的结构模式也被用到了。
2钢管塔载荷力的计算 钢管塔的结构构件有很多，其中就有圆断面，有一些规 定，对于圆断面的体形，某些系数这些方面，比面积比钢断 面小的有好多的，但是，加工厂家自己制作的构件也有不少 的，断面就是一个例子，它是一个N边形的钢管结构在将钢 管结构，在钢管上，你应该还可以看到有这些物体比如说焊 接挂件、脚钉、连接板这些比较突出的尖锐物，表面呢，也 不需要那么的光滑，也不是你所想的那种光滑程度。这么说 来，合理的使用这些系数就比较重要了。根据相关的规定来 说，就是μzW0d2≥0.015的时候，在对于表面光滑钢管的钢 管塔来说，它的整体体型系数应该作为角钢塔整体体型系数 的0.6倍，大概就是每根的体型系数为0.6×1.3=0.78左右， 从这个方面我们来考虑到，跨越塔的头部辅助材的管径应该 设计比较小，而钢管表面应该按照规定设有脚钉，其他的则 要根据相关规定，在工作中，一般来说我们要按照0.82左右 来进行一些精确的计算。再说，因为这个原因，整个钢管塔 圆管的构件，在比较构件长细方面存在比较大的特点，很好多情况下都会出现刮大风的情况，晃动时比较巨大的。钢管 塔在设计结构的时候就需要解决的问题就是规避构件之间 产生的横向激烈震动。根据《技术规定》，现在有三条临界 曲线，但在实际操作中的可行性并不大，但是我们可以参考 已经完成的一些项目情况来分析。一般情况下，比较方便地 控制圆管横向振动是改变构件之间的长细比。一些设计院开 展了有针对性的风洞实验，从而研究出如何有效控制横向振 动。在几个大的工程中，我们选用主要材料的长细比在120 之内，辅助材料在160之内，再经过结构上的一些处理，在 这种情况下，能够控制大部分构件的横向激烈震动问题。超 过100米或者更高的塔，它的风载荷效应非常的明显，风振 系数从下到上无法保持一个稳定的值。对于企业，他们也对 一些系数做了好多的研究在高度和风振系数方面。有一个例 子就是同济大学，他们运用了一些公式，单塔时程分析的研 究，塔线体系分析等理论的研究，钢管塔的内力计算，动力 效应分析是要考虑的。
3钢管塔的内力计算，断面和材料的选择 在布置结束以后，指的是钢管塔，要进行计算一些模型 的计算，用一些相关的软件，内力分析是必须的，再结合结 构分析。但由于各个设计院选择的软件会有所差别，进行计 算的方法也会有所区别，但是分析下来的结果应该基本一致。
当前这样，大部分的设计院都要有应力和内力方面的分析方 面的软件，这类软件有不足是有的，比如振动方面只考虑了第一振动，只选用线性的方法进行分析等。这个软件对于那 些高度不是很高，结构不是很复杂的塔还是可行的，可是当 塔超过额定高度或者塔头横担过大。正常情况下我们都要从 它本身的高振型以及它的二次效应的角度来进行思考，这种 方法不但会对它自身内部的构建的内力产生一定的影响，同 时对其它的部件也会有一定的调控作用。比如：具有巨大电 压的西线的荻港中的超大型的跨越式铁塔桥是按照三层横 担的方式来进行布置的，它自身塔的高度就有304m高，那么 它的二次效应的表现就很突出了，所以我们一定要将二次效 应放在重点。通过建模来进行模态的研究，它的部分元件里 的内部产生的力与我们线性分析所得出的结论是有相当大 的差距的。对于元件断面的选择，我们不但要对结构的内力、 稳定、强度等方面进行严格的把关，而且对于径厚比、长细 比、节点局部稳定等方面要有充分的研究。当内力确定的时 候，通过增加断面的直径能够达到减轻塔重、节约钢材、减 小管壁的目的，当然也会带来一系列的问题：风的荷载不断 增大、挡风的面积不断增大，当管壁越来越薄的时候径厚比 正在慢慢变大，严重的是会带来管壁的部分稳定的问题，正 常情况下我们要求径厚比要在D/t≤100（235/fy）的区间内， 这样就能够预防钢管发生弯曲的现象。正常情况下我们设计 铁塔的结构的时候一般都是对照空间的体系来设计的，我们 一般将元件的长径比调控在L/D≥（12主材、24非主材）之 内，要是有长径比不能达标的情况时，可以合理的来改变元件节点的刚度，比如：运用梁的单元进行虚拟的分析研究。
运用相贯连接的方式将主材与斜材连接到一起时，参照国家 相关政策的说明，它本身的外径比一般不会超过2.5，但是 根据规范的要求，在达到节点强度与局部稳定要求的时候， 可以根据实际放大到原来的5倍，一般情况下在3倍左右。我 国已有的最大的跨越的大小为厚度是30mm、管径是1580mm的 崖门钢管塔主材，它的材质是Q345B。伴随跨越档距、导线 牌号以及电压等级等的日益变大，许多塔的高度早就不止 300m高，它内部主要材料的受力有时会高达50000～80000kN， 这就造成所做的产品的尺寸会越来越大。但是对于钢管的材 料选择会受国标的调控，也就是“材质本身的屈服强度不能 够比345MPa大，一般情况下厚度小于25mm”，另外，连接钢 管的螺栓的等级一般不能超过8.8级，单个元件的质量还会 被施工安装与加工制造的过程所调控，单个钢管的尺寸不能 任意的放大。为了克服这个难题，许多设计师都有属于自己 独特的观点，比如：华东的一个设计师将八边形形状的断面 运用到了304m的钢管塔中去，这样做能够削弱主材所受到的 力；
在舟山的大型跨越塔的设计中，浙江院开发了向其内部 灌注大量混凝土方法比较具有创新点。
因为塔本身有着管 壁要承受巨大力的困扰，针对这一点，对于屈服强度要求方 面在国外的关于钢结构设计规范里有着相当强烈的要求，正 常情况下都不会高于355MPa。然而在2003版本的欧洲的规范 中，对于材料的屈服点的上限早就达到了460MPa，我国相关标准正是借鉴国外其它的标准来制定的，依然对于强度调控 不高，在选择材料的时候有一定的选择空间。参照一些外国 的其它的标准，合理的加大对钢材能够承受的冲击韧性，增 加它的可以焊接的性能，在这种情况下Q345本身的屈服点上 限是能够被超越的。超过500kV用于吴淞口的大型的跨越塔 设计与2001年，设计时其运用了Q390B等级的钢铁，收到了 十分好的效果。在现如今除此之外的行业中，越来越多的企 业开始运用Q420、Q460等其它的强度比较大的板材。500、 750、1000kV等其它类型的线路上已经十分多的在使用Q420 等级的强度比较大的钢材。
4钢管塔节点形式和连接方式的选用与计算 在正常的钢管的结构里面，主要材质所采用的形式主要 有以下两种：“TT”（横担与主材之间的连接）和“KK”（主 材与斜材之间的连接）。比较常见的用于斜材与辅助之间的 方式主要有以下四种：“K（”横材和斜材）“、X（”交叉 型斜材）“、*”（横材和交叉型斜材）以及“T”（辅助材 和斜材）。在国标中针对每个方式都有它们对应的计算方法， 在使用这些方法时需要注意它们能够使用的场合与要求,能 够运用的场合有：（1）支管与主管之间采用直接焊接的方 式；
（2）支管的外径和主管的外径大小的比例β应该在0.2 ―1.0之间；
（3）支管的外径和其壁厚的比例di/ti应该不 超过60；
（4）主管的外径和其壁厚的比例D/t应该不超过 100；
（5）支管和主管之间的夹角θ应该大于30°；
在部分节点上我们应结合设计需要适当的增加它的刚度。比如：我 们会合理的加大主要材料的厚度以达到局部稳定与强度要 求的目的，并且在横着的方向加上一块劲板穿透主材与横材 之间。在靠近挂线点的旁边的管子上要沿着横断面的方适当 的增加刚度等。对于钢管塔中的节点连接部分的设计，有以 下四种比较常见的方式：“]”型插板式连接“、U”型插板 式连接、法兰式连接以及“T”型插板式连接，我们在放置 的时候需要依据构造时的需求、所受力的大小以及机构元件 的部位。我们所选用的连接方式不但能够充分满足结构的受 力要求，而且还要便于自身的加工以及安装的过程，从而能 够妥善的处理好内力、构造与加工、安装之间所产生的不协 调环节。比如：当我们选择法兰式的连接方式的时候，相比 较而言即使它的加工相对繁琐，但是它有着非常好的受力能 力，方便力的传递。我们需要结合各种因素来选择合理的插 板方式。对于斜材而言，它的连接在受力分析上所使用的型 号为“U”型，通过这样的方式所获得的斜行有利于实现螺 栓的功能，发挥它的双向受剪效果。但是对于“T”形式的 版型而言，它的要求必须是管截面积比较大，特点是受力相 对较小，可以类比塔退材料，在管头上，它的截面刚度较大， 可以有效地去保证辅助材料的作用，发挥其支撑职能。对于 “L”类型的插板而言，截面积较小，因而所受到的力比较 大，插板在提供截面面积的同时保证受力均匀，对于厚度方 向而言，它的强度也会有效的得到加强。进行设计的时候，考虑连接的条件，螺栓连接具有许多优点，对于输电塔形式 的结构，首先靠采用此类连接方式，然后再考虑焊接这一块， 使用8.9级的螺栓连接时，斜材以及辅助方面的材料，受力 上并不大的，对于高强度螺栓8.8级可以满足该要求，它已 经广泛用于输电线上面，主要用于铁塔线路，但是在实际情 况下，出现了些问题质量问题，如断裂等。所以设计人员在 进行相关的设计时必须要考试考虑螺栓的安全性，我设计院 经过理论设计和实践分析，取得了一些成就，所有的问题集 中起来，主要表现为热处理和材质方面的问题。具有良好市 场效应的厂家所生产出的螺栓的质量具有重大保证，对于小 规模的企业，所生产出的螺栓的质量市场上很难得到大家的 认可。我们在考虑高强度螺栓的设计时，必须考虑到如下方 面的设计要求：（1）要选择好的厂家购买到好的材料，对 于螺栓场而言要提供可靠的设计要求，对于设备要求，关于 工艺流程设计、化学处理、热处理等方面的设计要求必须要 充分得考虑到位。电力工程方面的设计要求等级达到8.8级， 螺栓的设计必须要求强度较高。（2）对于螺栓场而言，在 设计前必须考虑到所购进的材料的型号，从源头上实现材料 的质量把关环节，对于材料的材质要求实行定期的和不定期 的检查，除了简单的目测检查外，还有有抽样调查的试验， 不合格的材料要永远地被排除在外。（3）对于螺栓的设计 上，要求尽量采用小直径进行设计，这样做的好处是，承载 力的要求要尽量合理。从安全度上面去考虑，小直径螺栓的数量比较的多，大直径的螺栓的数量相对较少，因而相应的 安全性比较上前者较高，除此之外，小直径的螺栓的设计成 功的好处是操作更加得简单方便，它的简单操作流程包括热 处理、拉力方面的试验。（4）螺栓场在工艺流程中，要对 不同的螺栓进行分配，它包括强度和级别，螺栓的强度要求 要合理，流程设计上要考虑到相关的处理要求，控制工艺上 要实现热处理的要求，除此之外的退火、淬火处理等工艺处 理上，要通过一些关键的技术有效的去控制螺栓的硬度等级 要求，可以进行渗碳处理等，从而从本质上去保证它的机械 方面的设计性能要求。（5）螺栓要进行防治腐蚀的现象， 如何实现防腐处理的要求，可以采用镀锌下的热处理，不可 以与其它的材料混合镀制，也要去避免单独状态下的镀锌处 理，在工艺处理上，要联合控制相关的设计要求，可以包括 时间、温度上面，去除绣物上面，氢脆现象可能会发生，这 样的现象要防患于未然。（6）对于螺栓的紧固，要充分考 虑到它的扭矩，扭矩的要求值不应该过分偏大，螺栓的扭转 情况要受力到位，但不可过大，如果超过要求就会出现高应 力状态，这样做的话不利于螺栓的正常工作。可以利用扳手 实现对螺栓的紧固，这样的好处是放大了力矩，力矩的提高 可以有效的出现，在对于螺栓进行拧固处理前，必须设计要 相应的程序，在处理的过程中按照程序的要求来，受力不均 匀的现象要一直在工作的始终。螺栓在其紧固上的扭矩大小 详细见下表：在钢结构的设计当中，要根据相关的安全设计要求进行设计，焊脚、焊缝的等级等都给出了明确的设计要 求。对于钢管而言，一般的纵向的焊接的要求不是太高，可 以采用自动埋弧焊对焊缝进行焊接处理，这样一来，它的质 量可以得到有效的控制，质量自然比较到位。焊缝在一系列 的相贯连接、插板连接设计当中，进行计算时，可以根据脚 缝焊接的相关要求进行焊接处理，从外观上看去，只要它的 质量达到了二级设计的要求就可以了。在钢管的设计上，对 接焊缝实行环向的焊接、对接焊缝实行柔性法兰下的焊接， 这些都是重要的焊接方法，在质量上，它的设计要求达到了 二级设计的相关要求。
5钢管塔在构造上的相关要求 虽然钢管塔看上去它的结构是比较简单的，因为它的节 点处的受力情况是相对比较复杂的，有些部位甚至会出现三 相的设计要求，为了不出现应力集中现象，对于它的相关的 结构要进行特殊的处理和专业的设计。在对接导线处等和塔 身的变坡地方，所设计的尺寸结构更要符合结构模型的相关 的设计要求，塔身和横担所连接的地方，钢管塔的塔腿部分 更要注意不能够出现受力偏心和应力集中等不稳定受力的 情况。（1）如果出现了插板的焊接上的厚度大于8mm，它的 剖口要进行相应的焊接设计；
如果钢板在进行焊接的厚度大 于20mm，就要进行相应的预热要求；
（2）后板以及薄壁类 型的钢管在进行相应的焊接设计时，进行相应的焊接时它的 厚度不可以太高，如果处理不当，会出现对于母材的破坏情况，那么钢管的承载方面的能力将无从说起；
（3）在一定 的情况下，可以进行碰撞方面的监督检测，主要检查的方面 加劲板、腿法兰、螺栓等在铁塔上的布置情况；
（4）焊接 设计上，对于斜材根部上面，需要进行排水口的开口要求， 第一要有效的防止出现漏锌的现象，第二要实现相应的排水 要求，与此相关的设计要求还有电化学腐蚀、低温度下的冷 冻现象；
（5）在相关连接上面，需要进行斜材的交叉点的 焊接处理，对于其中出现的不开段的部分，要适当地去扩大 它的直径，为了实现不开段的端面的现象，两相钢管上的直 径要避免相同，防止两相相贯现象的发生；
（6）塔体和其 它设施的主体在进行设计时候，要有效地去加强它们在结构 上的连接情况，对于那些附属的设施，要有效地保障强度设 计要求，除此之外，还要考虑不出现变形的情况，满足了各 方面的要求后，最后要实现的要求还有人性化的设计理念， 主要表现在楼梯、过道、台面上的设计。
6结束语 在电力系统当中，对于大跨度钢管的铁塔，其输电线路 作为其中的重要的组成部分，只有保证了安全稳定的运行， 才能最终实现电力系统的安全稳定运行。我们可以得出这样 的结论：在输电线路上面，必须保证钢管的结构设计必须合 理，实现其合理设计要求，就是要正对性的进行输电线路的 正常维护和保养，实现对于输电线路的系统进行正常的监督 检测，从而最终实现铁塔的稳定设置和输电线路的平稳安全运行。
