张子富，朱彬荣，杨靖波，高渊，王熙博
（1．中国电力科学研究院，北京 100055;2．中国地质大学，北京 100083）
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摘要：由于钢管塔优越性显著，中国1 000 kV特高压双回输变电工程基本采用钢管塔结构。然而钢管塔加工工艺复杂、质量要求高、施工难度大，尽管已经采用标准化设计，钢管塔的产能仍很难满足需要。以皖电东送工程为例，参考特高压钢管塔的设计条件，规划设计了新型钢管及角钢混合塔，下横担以上杆件全部采用角钢材料：优化设计了塔身主材钢管变角钢截面处的过渡节点，比较了钢管塔和混合塔2种塔型的动力特性．并开展了经济指标的分析。在保证安全运行的前提下，论证了新型混合塔的可行性，使得杆件中角钢比例大幅增加．钢管比例相应减少，有效缓解钢管应用于输电塔产能不足的问题。
关键词：1 000 kV特高压：混合塔：过渡节点：动力特性；经济性分析
O引言
随着我国特高压电网的建设及输电线路同塔多回技术的普及，杆塔逐步向大荷载和大型化方向发展．钢管塔应用的优越性已引起关注。与角钢塔相比，钢管塔构件风阻效应小、截面刚度大、杆塔构件少、传力清晰、结构可靠，有利于增强极端条件下结构抵抗自然灾害的能力，并可节约钢材和基础混凝土，具有较好的社会效益和经济效益。
皖电东送（淮南一上海）输变电工程是中国第一条1000 kV同塔双回线路，全线采用钢管塔。根据前期的调研工作，基本确定国内钢管塔的成熟产能仅有16万t/a．与工程全线25万~30万t的需求量存在较大的缺口。虽然从科研、设计、生产等多方面开展深化研究，尤其是加强钢管塔的标准化设计与优化及改进加工工艺等措施，在确保质量的前提下最大限度地提高生产工效，但皖电东送工程钢管塔的生产压力依然很大。再考虑到其他输电线路中钢管塔的应用，钢管塔的产能不足成为其大范围推广的严重掣肘。
出于这种考虑，新型钢管及角钢混合塔将常规1 000 kV钢管塔塔头部位全部改造成角钢结构．而塔身及塔腿仍为钢管结构。既保持原有钢管塔主体的承载性能不变，又适当增加角钢材料的比例、减少钢管的用量，能够有效缓解目前我国输电线路工程中钢管产能严重不足的问题。
1 混合塔规划设计
1.1 设计条件
新型钢管及角钢混合塔SZ1的设计条件参考某特高压双回路钢管塔S2301，最高呼高66 m，总高108.5 m,导地线型号为8xLGJ -630/45，JLB20A-240、OPGW-240，基本设计风速为30 m/s，导线设计覆冰15 mm.地线设计覆冰20 mm，水平设计档距680 m．垂直设计档距1 000 m。两者的单线图尺寸完全一致，如图1所示。
1.2塔型布置
钢管塔S2301绝大部分杆件为钢管，只有个别斜材为角钢：钢管及角钢混合塔SZ1下横担以下采用钢管，下横担以上（包括塔身主斜材）均采用角钢，塔身主材钢管变角钢的变截面处采用过渡节点连接。
铁塔下横担以上杆件南钢管改为角钢后，杆件的合理计算长度发生了变化，铁塔节间布置应随之变化。为简化计算，设定节间高度不变，通
添加辅助材的方式，将塔身主材分为两等分或者三等分，以改变杆件的计算长度，使其尽可能合理取值。混合塔SZ1塔头布置及选材如图2所示。
2混合塔结构设计
2.1 过渡节点设计
混合塔SZ1塔身主材钢管变角钢截面处的过渡节点设置在下横担下平面主材与塔身中柱主材交点以上的节间内。节点上部主材为角钢，采用塔脚板型式连接，由底板、靴板及加劲板组成；节点下部主材为钢管，采用法兰型式连接，由底板（即法兰盘）、法兰加劲肋及环形加强板组成。过渡节点具体位置及结构如图3所示。
通过杆塔设计软件TTA分析，“60。大风”为SZ1塔身主材的控制工况。在此工况下，与过渡节点相连的各杆件规格及受力情况如表1所示。结果表明，过渡节点上、下段主材(930 -1210和1210 -1310)规格分别为角钢L250 x24和钢管中426x9,横担下平面以下塔身斜材(1210 -1311和1210 -1312)规格均为钢管中194x5．其他与过渡节点相连的杆件均为角钢。
采用有限元通用软件ANASYS对过渡节点及相关杆件进行模拟计算，假定材料具有双线性等向强化性质．并服从Von．Mises屈服准则。采用SHELL181单元模拟钢管及角钢构件，螺栓连接处通过耦合模拟连接。材料采用Q345和Q420钢，弹性模量E=2.06xl08 kN/m2，钢材密度p=7.85xl03kg/m3，泊松比取0.3，理想弹塑性材料，、经过优化，当底板厚度为40 mm、靴板厚度为28 mm、法兰加劲肋长度为250 mm.环形加劲板高度为100 mm时．过渡节点各部件强度满足要求，结果如图4和表2所示。
由表2可知，过渡节点上部角钢、下部钢管主材的计算应力均不超过420 N／mm2,由于两者材质为Q420，与之相连的塔脚板的底板和靴板也相应地采用Q420板材，强度有较大的裕度；其他杆件的材质为Q345，计算应力也均满足屈服强度的要求。
2.2杆塔动力特性分析
应用ANSYS有限元通用软件．分别建立钢管塔S2301和混合塔SZ1的空间有限元模型，模型采用梁一杆混合单元．钢管主材采用三维管单元PIPE16、角钢主材采用梁单元BEAM4、其他钢管或角钢杆件均采用空间杆单元LINK8进行模拟。弹性模量E=2.06xl08 kN/m2，钢材密度p=7.85xl03kg/m3。利用模态分析求解白振频率时，塔的白重对其结果影响较大。铁塔各杆件间通过节点板和螺栓连接在一起，且在节间内可能存在辅助材，其实际重量会比计算值大．分析时考虑1.4的重力增大系数。应用Block Lanczos法求解铁塔的白振频率和振型。2种塔型的前十阶频率及周期如表3所示．可以看出2种塔型的前十阶振型基本相同。
通过有限元分析，主要结论有：
(1)2种塔型的前十阶振型中，第一振型为一阶横向弯曲．第二振型为一阶纵向弯曲，第三振型为一阶扭转，前两种振型的自振周期较大，从第三振型开始，自振周期明显减小。
(2)2种塔型的前十阶振型中，横向弯曲、纵向弯曲和横隔面局部振动的自振周期相差基本在5%以内，而扭转的自振周期之差超过10%。说明钢管塔上部杆件由钢管全部改为角钢后，对杆塔的扭转变形影响比较大。
3经济性分析
钢管塔S2301的原杆件材质均为Q345，为了充分比较．经济性分析时分别对2种塔型进行结构选材计算，杆件最高材质分别按照Q345、Q420和Q460考虑，具体选材结果如表4所示。
南于通过杆塔设计软件计算的重量仅为受力杆件的重量，考虑连接板、法兰、螺栓等后，全塔重量将增加。通过对皖电东送工程钢管试验塔、特高压交流试验示范工程角钢塔等杆塔加工图的统计，大致确定了塔材各部分占全塔的比例。其中：钢管塔受力材约占全塔重量的70%；角钢管主材采用单拼角钢时受力材约占85%,主材采用双拼组合角钢时约占78%。以下分析中，通过受力材重量除以相应比例等到全塔总重。
由表4可以看出：
(1)当杆件最高材质为Q345时，SZ1塔腿主材最大规格为中610x11．而S2301塔腿主材最大规格为中584x11。经比较，混合塔过渡节点以下塔身主材规格比钢管塔相应位置的主材规格略有增加，主要原因是混合塔上部杆件均采用角钢，其风压体型系数为钢管的2倍左右，塔身风荷载比钢管塔显著增加。
(2)当杆件最高材质为Q345时，SZ1塔重为142.1 t．S2301塔重为140.6 t．前者比后者重约1%．整塔价格也相对高了1%左右。计算过程中，混合塔过渡节点以上塔身主材采用了L220和L250大规格角钢，若采用双拼组合角钢，塔重约增加5%,整塔价格也有相应的提高。
(3)当杆件最高材质为Q420和Q460时，SZ1塔重分别为131.4 t和126.3 t．S2301塔重分别为134.1 t和129.6 t．前者比后者轻约2%，整塔价格也相对低了1%左右。主要原因是，采用Q420和Q460时，钢管的最小规格为中219 x5和q)273 x6．角钢的最小规格为L125 xl0。S2301钢管塔只有塔身主材采用Q420或者部分塔身主材采用Q460，而SZ1混合塔很多杆件均可采用Q420或Q460高强钢，塔材中高强钢的比例远高于S2301塔。
(4) S2301塔大部分杆件为钢管，少量斜材采用角钢，角钢比例按最高材质的不同( Q345、Q420和Q460)分别占整塔重量的7.40%、7.76%和8.03%：SZ1塔下横担以上杆件均采用角钢，角钢比例按最高材质的不同（Q345、Q420和Q460）分别达到35.86%、36.74%和37.35%，钢管用量大比例减少。
(5)考虑不同等级材质角钢和钢管的单价后，最高材质为Q345的混合塔SZ1塔最重，为142.1t，整塔价格最高，约为85.40万元；最高材质为Q460的混合塔SZ1塔重最轻，仅为126.3 t，价格也最低，约为78.80万元，塔重比前者轻约13%，整塔价格也低8%左右。
4结语
本文参考1 000 kV皖电东送特高压工程钢管塔的设计条件，规划设计了新型钢管及角钢混合塔．下横担以上杆件全部采用角钢材料，优化设计了塔身主材钢管变角钢截面处的过渡节点。通过经济性分析，论证了应用新型混合塔的可行性，得出主要结论如下：
(1)塔身主材钢管变角钢截面处的过渡节点采用塔脚板和法兰型式，只要参数取值合理，结构是可靠的。
(2)混合塔与钢管塔的自振周期和振型基本相同，铁塔塔头部位杆件由钢管全部改为角钢后，对铁塔的扭转变形影响相对较大。
(3)当最高材质为Q420或Q460时，混合塔较钢管塔塔重和价格均略低一些：当最高材质为Q345时，混合塔重量增加，价格也增加，但增加的幅度并不大。混合塔中角钢比例大大增加，钢管比例相应的减少了很多．可以有效缓解输电塔钢管产能严重不足的问题。
