第五册----塔型选择及结构优化

20-S299C-A050560-S709C-A050514-S3871C-A050510-W103-S484C-A050513-S07011C-A050537-S6891C-A050540-S483C-A0505宁东～山东±660kV直流线路工程初步设计第五卷专题报告第五册塔型选择及结构优化中国电力工程顾问集团公司西北电力设计院中国电力工程顾问集团公司中南电力设计院中国电力工程顾问集团公司东北电力设计院北京国电华北电力工程有限公司山东电力工程咨询院宁夏电力设计院山西省电力勘测设计院河北省电力勘测设计研究院二OO八年十月宁夏回族自治区电力设计院院长：王洪海总工程师：付江项目经理：李维校核：胡江涛柴少磊董会文编写：罗正林侯鹏翔何欣荣包克俭马冬波东北电力设计院院长：谷仁川总工程师：张国良审核：高平校核：陈光编写：吴光臣西北电力设计院院长：薛更新总工程师：杨林审核：朱永平王虎长高振校核：李平胡建民编写：赵雪灵高振山西省电力勘测设计院院长：张奋光总工程师：刘志强审核：杨春田赵晋生阎涛校核：谢东升藏明皓编写：张慧忠白俊平北京国电华北电力工程有限公司院长：孙寿广总工程师：王绍德马志坚审核：李晋孟华伟校核：施芳杜国良编写：李晨孟华伟钟晶叶伟李鑫河北省电力勘测设计研究院院长：贾吉林总工程师：魏利民审核：李金喜王江校核：王炜武淑敏编写：李金丰宋岩孙庆钢王江山东电力工程咨询院院长：王东伟总工程师：杨玉祥审核：汤涛孙成秋校核：宋志昂张佩师张道国郎需军金树编写：房祥玉任宗栋朱英魁张丽娟张广龙游亮杜池庆中南电力设计院院长：封静福总工程师：王钢审核：胡汉基赵全江校核：李翔编写：陈媛郑伟内容摘要本专题报告根据初步设计文件的要求，依据相关设计规范、规程和规定，结合本工程的实际情况，针对±660kV直流线路的荷载特点和电气特性，对本工程采用铁塔进行了选型；同时以本工程典型气象区的铁塔为例，从塔头布置、横担型式、塔身正侧面尺寸、铁塔根开及最优坡度、横隔面的设置、铁塔节间布置、塔身腹材布置、K节点的使用和高强钢Q420的应用等方面对铁塔结构进行了优化设计，得到以下结论：（1）本工程直线塔主要采用导线水平排列的自立式铁塔，导线挂线方式均采用V型绝缘子串。（2）直线塔采用“羊角型”铁塔。（3）悬垂转角塔采用“L串”，既可缩小极间距，压缩线路走廊宽度，又可减轻塔重。（4）耐张转角塔采用“干字型”塔，跳线采用硬跳线，跳线挂线方式采用双“V”串，提高污耐压比；V串的电气环保性能优于I串；使用V串可以减小级间距，从而减小地线架的长度，节约钢材,降低塔重。（5）铁塔结构优化设计：a）塔头采用地线支架与横担相连的“羊角式”。b）为了提高±660kV直流线路铁塔的刚度，本工程所有铁塔塔身断面均采用“方形”断面。c）铁塔根开按最优坡度为基准取值。d）减少了横隔面的数量，提出了本工程隔面设置型式及要求。e）采用定量分析的方法来确定铁塔节间布置。f）塔身斜材尽量伸入主材，少用或不用节点板，斜材与水平面的夹角控制在350-500之间。（6）耐张转角塔在00-600范围内按200分级设计，其他优化细节与直线塔优化思路一致。（7）对直线塔进行荷载分组设计，以充分发挥各塔在不同高度下构件的利用率，降低工程造价。（8）对所用的角钢规格进行优化选取。（9）通过对钢管塔和角钢塔的对比分析，本工程全部铁塔采用采购方便、加工及施工成熟的角钢材料。（10）山地铁塔采用全方位长短腿，并与高低基础配合使用。（11）由于本工程的铁塔结构大型化，结构型式及节点处理等问题应引起足够重视并进行深入的研究。目录1工程概述.............................................................11.1工程概述.......................................错误！未定义书签。1.2本标段概述.....................................错误！未定义书签。2铁塔选型.............................................................22.1直线塔选型.......................................................32.2悬垂转角塔选型...................................................52.3耐张转角塔选型..................................................133铁塔材料选用........................................................153.1关于钢管塔.....................................................153.2关于高强钢.....................................................163.3关于高强螺栓...................................................194铁塔优化............................................................214.1优化原则.......................................................214.2优化方法.......................................................224.2.1动态规划法和满应力准则法相结合的设计方法.....................234.2.2满应力算法...................................................234.2.3动态规划计算法...............................................244.3优化内容.......................................................254.3.1塔头型式优化.................................................254.3.2横担型式优化.................................................254.3.3铁塔口宽及塔身坡度的优化.....................................144.3.4塔身断面形式优化.............................................184.3.5塔身结构布置及节间优化.......................................194.3.6塔身斜材布置.................................................214.3.7塔身K节点的使用.............................................224.3.8隔面设置及优化...............................................234.3.9节点构造优化.................................................264.3.10荷载分组计算.................................................274.3.11角钢规格的优化...............................................284.3.12铁塔长短腿设计...............................................584.4转角塔.........................................................605大型化铁塔在大荷载作用下的结构型式及节点处理..........................616结论................................................错误！未定义书签。7参考文献............................................................611工程概述为进一步实现电力资源优化配置，新建宁东～山东±660kV直流线路工程。本工程起于宁夏回族自治区银川东换流站，止于山东省青岛换流站。线路途径宁夏、陕西、山西、河北、山东五省，线路全长1335km，包括山东黄河大跨越3.3km，输送容量4000MW。±660kV直流输电能力强，输电效益高，可适应国家电网的远期发展，实现东西部电力资源优化配置。无论是沿线的地形、气象等自然条件，还是导线对地距离、导线分裂根数等电气条件，±660kV直流输电工程较以往直流线路都有很大不同，从而导致铁塔塔高、塔头尺寸、铁塔负荷都较其它直流工程铁塔有较大差异，这对设计工作提出了更高的要求。而输电线路铁塔设计是线路工程设计中技术要求高，工作劳动量大，且最能体现线路设计水平的主体部分。铁塔设计水平的高低、质量的优劣将直接影响到整个工程的质量和造价，影响到电网的安全，也影响到铁塔的制造加工和施工安装。本报告依据工程实际条件，在满足电气专业要求的前提下，从多方面就铁塔的选型和优化设计进行了论述。2铁塔选型根据结构的受力特点，铁塔可分为拉线塔和自立式铁塔两大类。拉线塔曾在220～500kV输电线路工程中作为主力塔型广泛使用。主要因为拉线塔塔型简洁、施工方便，耗钢量少，在运行维护方便的浅丘、荒漠等地使用较多。但拉线塔由于拉线的防松、防盗等问题不利于运行维护；同时，拉线塔由于拉线根开大，占地范围广且塔位的场地选择受限制，往往导致拉线塔的综合费用经常高于自立式铁塔。在相同气候条件下，由于电压等级的提高，±660kV直流线路的塔高较±500kV直流线路有所增加，若仍采用拉线塔，则拉线太长，不利于拉线的紧固，并且在风及冰荷载的影响下容易使拉线松动，不利于运行维护；并且由于±660kV直流线路荷载较一般500kV线路大得多，拉线受力很大，拉线型号及连接需要特制；最后，结合本工程的地形地貌以及走廊情况，在线路大部分地区，为高山大岭和经济发达区域，走廊较为紧张，因此，本工程不推荐采用拉线塔。从国内外已建线路情况来看，自立式铁塔是绝大多数工程的主力塔型，同拉线塔相比，具有占地少，施工、运行维护方便等优点。结合本工程的铁塔巨型化、荷载大以及走廊紧张等特点，铁塔型式采用自立式铁塔。国内外直流输电线路一般均为双极同塔输电，双极排列有水平和垂直排列两种方式（如图2-1所示），垂直排列可减小走廊宽度，水平排列可降低杆塔高度、平衡杆塔荷载。从安全、经济、运行、施工等方面综合考虑，导线排列方式一般地区采用水平排列，在局部走廊拥挤地段，可采用垂直排列，减小走廊宽度。结合本工程的特点，导线采用水平排列方式。对图2-1导线水平排列和垂直排列示意图针对本工程的采用的自立式铁塔，在参考国内外±500kV及±800kV直流工程铁塔设计经验的基础上，通过大量的规划和计算工作，确定了直线塔、悬垂转角塔和转角塔的基本塔型。2.1直线塔选型直线塔的单基重量是影响整个工程铁塔指标的主要因素，而直线塔的塔重又受制于其塔头型式（导线挂线方式、塔头外型）。对于直线塔来说，导线的挂线方式直接决定了极间距的大小，同时也就决定了塔头尺寸的大小，进而影响到铁塔的钢材耗量和线路走廊宽度。一般来说，直线塔塔重随着极间距的增大而相应增大，主要原因在于极间距的增大导致了横担增长，增加了横担的弯矩，使得横担规格加大，重量增加，另一方面极间距的增大还导致铁塔横向弯矩和断线时的扭力臂增大，影响到塔身主斜材的变化，而