双回路窄基钢管组合塔的弯矩计算_聂峰.pdf

双回路窄基钢管组合塔的弯矩计算聂峰包居敏（平行空间电力设计有限公司）摘要：目前国内铁塔基础设计均采用单腿基础最大作用力，但窄基钢管组合塔根开较小，难以满足 架空输电线路基础设计技术规程中基础中心间距不宜小于其设计直径的 倍的要求。本论文结合工程实际情况，利用道亨满应力设计软件计算双回路窄基钢管组合塔的荷载情况，根据钢管组合塔基础作用力的计算原理对满应力荷载数据进行整理和分析，计算出双回路窄基钢管组合塔的整体弯矩和水平力，为工程中窄基塔基础的计算和优化提供准确的作用力表达方式。关键词：窄基钢管组合塔；塔身风荷载；导地线荷载；窄基塔弯矩 引言输电线路工程中窄基钢管组合塔一般采用单个塔腿的基础作用力分别进行基础计算，单个塔腿的基础作用力包含了不同工况条件下的最大上拔力、上拔水平力以及最大下压力、下压水平力两组作用力。在窄基钢管组合塔基础设计及优化过程中，四个塔腿基础按转角度数分别考虑最大上拔力和最大下压力工况条件下的受力情况。由于双回路窄基钢管组合塔基础根开较小、挂线回路较多，导致基础作用力较大，特别是对于在地质条件较差的塔位上优化计算基础，采用普通灌注桩、掏挖等基础方式时很难满足 架空输电线路基础设计技术规程中“基础的中心间距不宜小于其设计直径的 倍”的要求 。因此，可通过道亨满应力、等软件的中间计算结果，将双回路窄基钢管组合塔的基础作用力以整体弯矩、水平力、下压力的表达方式体现，为双回路窄基钢管组合塔选择便于施工的独桩承台基础或者多桩承台基础，以满足施工和规范要求。计算原理及计算模型本次工程中设计的双回路窄基钢管组合塔根开较小，塔身坡度为 .左右，属于细长型结构。基础作用力采用弯矩、水平力、下压力的表达方式更能体现杆塔的具体受力情况。窄基塔的基础作用荷载主要为塔身风荷载、转角作用力、导地线风荷载、控制工况的重力荷载。为准确的计算基础作用力和快速的找到控制工况，可采用软件计算各种荷载并根据荷载条件按规范进行验算。本论文根据双回路窄基钢管组合塔的受力特性，将窄基塔模拟为钢管杆的受力情况，分别计算正常运行工况、安装工况、断线工况下的塔身风荷载、导线荷载、地线荷载、重力荷载、安装荷载等工况组合。其中风荷载按 、四种情况计算，并利用道亨、软件提取不同工况条件计算出的最大基础作用力。提取的基础作用力分别为单腿的最大上拔力（、）和最大下压力（、）。铁塔基础作用力的计算方法根据 输电杆塔设计 中的计算原理进行计算，具体计算见公式（）：（）（）式中，为所有 方向水平荷载、垂直荷载对塔腿脚处的力矩和；为所有 方向水平荷载、垂直荷载对塔腿脚处的力矩和；为基础顶面以上垂直荷载（包括铁塔自重）总和；为铁塔正面侧面根开；、分别铁塔塔腿的最大下压力和最大上拔力。工程概述某 城区改造线路工程，新建双回路架空线路路径长 .。导线型号为单根 -，地线为两根 -铝包钢绞线，设计覆冰 ，基本风速 .，最高气温 ，最低气温 。本工程线路路径走廊狭窄，城区塔位紧张且地质条件复杂，设计过程中考虑采用双回路窄基钢管组合塔，直线塔根开按 .设计。在基础优化设计中，采用灌注桩和掏挖基础的桩间距均无法满足规范规定的 倍直径要求，而且在基础施工过程中存在桩孔坍塌、漏浆等风险，城区也无法开展大开挖联合基础的施工。因此根据上述条件，设计人员拟将双回路窄基钢管组合塔的基础作用力采用整体弯矩、水平力、下压力的表达方式，采用 .的单桩承台基础，以电气技术与经济 研究与开发 满足施工和规范要求。研究选择了直线塔 ，呼高为 作为分析对象。根据道亨满应力计算结果，窄基塔 -产生最大下压力的情况为工况组合 （大风、平衡张力、风、最大垂荷），产生最大上拔力的情况为工况组合 （大风、平衡张力、风，最小垂荷）。从道亨满应力计算文件提取的最大基础作用力详见表 。表 -窄基钢管组合塔基础作用力工况号工况名称基础作用力 工况组合 大风，平衡张力，风，最小垂荷 .工况组合 大风，平衡张力，风，最大垂荷 .窄基塔设计条件本工程设计的双回路窄基钢管组合塔 -的水平档距为 ，垂直档距为 ，最小垂直档距为 ，代表档距为 ；导线安全系数为 .，导线新线系数为 .，地线安全系数为 .。窄基钢管组合塔的导线、地线设计参数详见表 。表 导地线参数表导线 地线型号计算截面 铝股钢股综合计算外径 股数 股径铝股钢股单位质量（）瞬时破坏应力 线膨胀系数弹性模量（）-.-.钢管塔荷载的计算根据道亨满应力计算的结果，-双回路直线窄基钢管组合塔的最大基础作用力控制工况为 大风，下压力和上拔力分别为最大垂直荷载和最小垂直荷载。这与浙江大学结构工程研究所的论文 钢管输电塔塔身及横担角度风分配系数研究 中的风洞试验数据基本吻合。因此，本次弯矩的换算只考虑这两个工况的荷载计算，大风风荷载计算简图及模型如图所示。.横担、塔身风荷载计算塔身风荷载的计算按现行国家标准 -架空输电线路设计规范中的规定，对自立式铁塔的杆塔风荷载调整系数 的规定适用于高度与根开比为 的范围 ，本次设计的窄基钢管组合塔高度与根开比远小于此值。因此根据相关参考论文及风洞模拟试验结论 -，窄基钢管组合塔的风荷载体型系数、杆塔风荷载调整系数 执行现行国家标准是能满足工程需要和安全要求的。研究利用道亨满应力计算的中间数据，在道亨满应力 文件中提取按塔身风荷载分段计算的横担、塔身 大风工况下的最大风荷载、风荷载作用点高度、塔段质量以及增大系数等重要数据。依据 架空输电线路杆塔结构设计技术规定中的规定，塔身、横担、导线在 风作用时的风荷载可按角度风作用时荷载分配表 分别计算 方向和 方向的作用力。在 大风作用下，塔身风荷载在 方向的系数为.，方向的系数为 .；横担风荷载在 方向的系数为.，方向的系数为.，具体计算数据见表 。图塔身风荷载计算示意图电气技术与经济 研究与开发 表 横担、塔身风荷载计算数据塔段风荷载 高度 方向风荷载 方向风荷载 方向弯矩（）方向弯矩（）.小计：.上表中塔身风荷载根据 方向和 方向的系数分别计算出两个方向的作用力，按风荷载作用点的高度折算成塔脚位置的弯矩，根据计算结果，由塔身风荷载产生的 方向弯矩为 .，方向的水平力为 .；方向弯矩为 .，方向的水平力为 .。.导线、地线风荷载计算本工程双回路窄基钢管组合塔 -的导线、地线风荷载可先按最大水平档距计算 大风情况下的风荷载，然后根据 架空输电线路杆塔结构设计技术规定中风作用时荷载分配表的规定计算在 大风作用下，导、地线风荷载在 方向的系数取 .，方向的系数取。具体荷载计算数值详见表。表 地线、导线风荷载计算数据序号导、地线风荷载 高度 方向风荷载 方向风荷载 方向弯矩（）前地线.后地线.前上导.后上导.前中导.后中导.前下导.后下导.小计：.上表中 方向的风荷载按 大风乘以系数 .取得，风荷载作用点高度按挂点高度考虑（不考虑串长），计算出 方向弯矩为 .，方向的水平力为 .。.重力荷载的计算根据道亨满应力计算的中间过程，文件中提取的塔重已经考虑了 .的恒载系数，也考虑了.的辅助材重量，但在计算最大下压力时对塔重还会另外考虑 .的螺栓、连板增重。在计算最大上拔力时，按杆件标准质量统计塔重。根据 文件中统计的数据，在计算下压力时由塔重产生的最大重力荷载 .，导、地 线 产 生 的 重 力 荷 载 为 .；计算上拔力时由塔重产生的最大重力荷载 .，导、地线产生的重力荷载 .。电气技术与经济 研究与开发 基础作用力验算双回路窄基钢管组合塔基础作用力按 输电杆塔设计 中基础作用力的理论算法进行验算，根据以上分析数据，上拔基础作用力由 方向弯矩、方向弯矩产生的上拔力减去重力荷载产生的下压力组成，下压基础作用力由 方向弯矩、方向弯矩产生的下压力加上重力荷载产生的下压力组成，具体计算结果见表 。表 基础作用力验算作用力塔身弯矩 塔身弯矩 导、地线弯矩 重力荷载 基础作用力 下压力 .上拔力 .根据以上结果对水平力进行验算，方向风荷载产生的总水平力为 .，折算到每个塔腿的作用力为 .，由 塔 重 斜 率 引 起 的 水 平 分 量 为.，因此 方向总的水平力 .，与提取的基础作用力基本一致；方向水平力只有塔身风荷载产生的 .，在软件计算程序中也考虑了导线 方向产生的风荷载 .，折算到每个塔腿的作用力为 .，由塔重斜率引起的水平分量为.，因此 方向总的水平力 .，与提取的作用力也基本符合。根据以上计算结果分析，双回路窄基钢管组合塔采用弯矩折算的基础作用力与软件提取的基本一致，在工程实际中可采用由此法计算的弯矩、水平力和下压力进行窄基钢管组合的基础优化设计。本文根据工程实际情况计算的 -直线钢管组合的基础作用力为 .，.，.，.，.。结束语本工程根据基础作用力的计算原理分析，利用道亨满应力计算软件的中间计算结果，将窄基钢管组合塔的作用力换算成弯矩、水平力、下压力的表现形式，有利于工程师理解作用力的组成及计算方法，为工程中基础的优化提供理论依据和方法。参考文献 -，架空输电线路基础设计技术规程 陈祥和，田启华输电杆塔设计 北京：中国三峡出版社，赵夏双，楼文娟，沈国辉，等钢管输电塔塔身及横担角度风分配系数研究 低温建筑技术，（）：-，-，架空输电线路设计规范 牛华伟，刘淦彬，杨风利，等钢管-角钢组合输电塔杆件体型系数及背风面风荷载折减系数的风洞试验研究 湖南大学学报（自然科学版），（）：-张益国，王璋奇窄基钢管塔体型系数的风洞模拟试验研究 电力科学与工程，（）：-，架空输电线路杆塔结构设计技术规定 （收稿日期：-）电气技术与经济 研究与开发