浅谈大跨越结构设计03.07 - 图文

大跨越结构设计

一、塔型

混凝土塔：造价较低，材料规格品种简单

普通混凝土结构有裂缝是正常情况但运行部门往往认为是质量问题 如果运用予应力技术可有效避免裂缝出现，目前大跨越塔还没用过

角钢塔：构件基本上在流水线上生产，螺栓连接，只有塔脚有焊接，质量有保证 但角钢构件受风压较大，塔本体和基础用材料量较大，构件数量也较多

钢管塔：构件受风压较小，塔本体和基础材料量较小，造价比角钢塔略低，构件数量也较少，施工管理方便

但焊接工作量较大，2 塔型选择

直线跨越塔的塔型选择 （1）国内外现状

大跨越工程中的塔型选择，重点是直线跨越塔的塔型选择。因为直线跨越塔相对于耐张塔，占工程投资比例大，塔型可选择范围也较大，塔型的合理选择还影响工程的工期和质量。

目前国内已经建成的大跨越工程，直线跨越塔塔型主要有混凝土塔，拉线塔，角钢塔和钢管塔等四种型式。其中，钢管塔还可分为斜材、主材均主要用钢管的全钢管塔，以及斜材用园钢、主材用钢管的园钢斜材钢管塔。 国外已经建成的塔型主要是角钢塔和全钢管塔。 国内外有代表性工程，塔型选用情况见表1 四种典型的直线跨越塔型式见图1 （2）塔型比较

混凝土塔、拉线塔、角钢塔和钢管塔（全钢管塔和园钢斜材钢管塔）的主要结构构造特点、技术上的优缺点见表2

从表和表可以看出：

1）混凝土塔：一段由钢筋混凝土环形截面筒身和钢结构横担组成。外形采用多个坡度形成曲线形。环形截面筒身的风荷载体型系数小，风阻力小，抗风性能较好，而且筒身风荷载是整塔风荷载的主要部分，塔的风荷载较小。主要材料是钢筋、水泥和砂石料，比较简单，容易采购。但是，筒身自重特别大，基础工程量大，同时，抗震性能差。筒身为现浇钢筋混凝土，不仅现场施工周期长，而且不利於环境保护，能源消耗以及二氧化碳排放量都超过钢结构。其次是现浇混凝土的施工质量比较难控制，工程投运后，普遍存在个别部位裂缝超标问题，需要处理。如果采用予应力混凝土结构，裂缝问题可得到改善。这种混凝土塔在90年代之前，220KV和500KV大跨越工程中均有应用实例。代表性工程是500KV南京大胜关工程，塔高257M。

2）拉线塔：由角钢或钢管构成的格构式柱子和用钢丝绳作拉线组成。拉线对地夹角一段为45-60度，柱底设置铰接支承，拉线调节采用花兰螺栓，塔身支座处还设置抗扭装置。这种拉线塔以拉线承受拉力，柱子承受压力，充分发挥了各

表1 跨越塔塔型使用情况 塔型 国内外使用情况 钢筋混凝土塔 ①500kV大胜关大跨越(中国),塔高257 m;②500kV洛河大跨越(中国),塔高202.5m;③500kV荻港大跨越(中国),塔高160m;④±500kV吉阳大跨越(中国),塔高182m;⑤220kV沌口长江大跨越(中国),塔高147m;⑥220kV五峰山大跨越(中国),塔高106m;⑦220kV皖中大跨越(中国),塔高116.5m;⑧500kV平繁线淮河大跨越(中国),塔高163m 拉线钢塔 （1）.220kV南京热电厂长江大跨越(江心州上)，塔高166M（钢管）;（2）.220kV谏泰线夹江大跨越;（3）.220kV浙江瓯江大跨越. 角钢塔 ①500kV珠江大跨越(中国),塔高235.5m;②500kV镇江大跨越(中国),塔高180m;③230kVOrinoco大跨越(委内瑞拉),塔高240m;④500kV苏伊士运河大跨越(埃及),塔高221m;⑤500kV爪哇-巴厘岛大跨越(印度尼西亚),塔高295m;⑥380kV易北河大跨越(德国),塔高227m;⑦750kVBosphrous大跨越(土耳其),塔高165m;⑧400kVThames河跨越(英国),塔高194m;⑨356kVYulgu Line跨越(南朝鲜),塔高180m;⑩220kV墨西那大跨越(意大利),塔高193.6m⑾500kV江阴大跨越(中国),塔高346.5米. 钢管塔 ①220kV南京长江燕子矶大跨越(中国),塔高193.5m（园钢斜材）;②220kV椒江大跨越(中国),塔高183m;③220kV中四大跨越(方钢管)(日本),塔高226m;④220kV松花江大跨越(中国),塔高121m;⑤220kV崇明长江大跨越(中国),塔高128m;⑥500kV马鞍山大跨越(中国),塔高257m.

（1）500KV大胜关 （2）220KV燕子矶 （3）500KV江阴 （4）500KV马鞍山 混凝土塔 拉线塔 角钢塔 钢管塔

图1四种典型的直线跨越塔型式

表2 跨越塔塔型主要构造及优缺点 塔型 主要构造 主要构件形式:①塔身为钢筋混凝土筒体;②横担采用角钢或钢管构件 连接方式:横担连接在筒身牛腿上; 主要构件形式:①塔身用组合角钢或钢管组成.②拉线用高强度钢丝绳 连接方式:拉线要用灌铅基合金和花兰螺栓,其它用螺栓 主要构件形式:①单角钢;②2根或4根角钢用螺栓拼接的十字柱;③用厚钢板焊接的十字柱;④采用单角钢,角钢十字柱或者钢板十字柱用缀条、螺栓连接的格构式构件 连接方式:螺栓 主要优点 ①塔筒内装设电梯比较方便,不增加铁塔设计风荷载;②使用型钢很少,主要采用钢筋、水泥、石子、黄沙等;③位于岩石地基时造价较低 主要缺点 ①自重特别大,对地基要求很高,基础工程量大;②抗震性能较差;③筒体结构必需在基础浇制、验收合格后方可施工,施工周期较长;④筒体的施工质量较难保证 钢筋混凝土塔 拉线钢塔 ①受力清晰,结构简单耗钢量少;②施工周期较短。 ①结构总体变形较大;②拉线初应力的施加和调整比较困难。 角钢塔 ①大部分角钢可从市场直接采购,无需特殊加工;②有专门的流水加工线,加工质量容易保证;③单件重量轻,便于加工、运输和安装;④抗振性能较好;⑤铁塔加工与基础施工可以同步进行,施工周期较短 ①风的阻力系数较钢管塔大,整塔重量较重,基础工程量较钢管塔大; ②构件数量较多,地面拼接工作量较大;③当采用钢板焊接十字柱时焊接工作量较大 钢管塔 ①风的阻力系数较小,铁塔重量较轻,基础工程量较小;②钢管断面的受力特性较主要构件形式:①圆好;③抗震性能较好形钢管;②矩形钢管;④用钢板可焊成不同③钢管、缀条组成的的钢管规格,不受市格构式构件 场供应的限制;⑤铁连接方式:法兰、螺栓 塔构件数量较少,加工、施工的管理比较方便;⑥铁塔加工与基础施工可以同步进行,施工周期较短 ①法兰接头较多,焊接工作量较大;②单件重量较大,运输比较困难;③细长构件容易发生微风振动。

构件材料的特性，是一种比较合理的结构型式。而且，它是一种柔性结构，抗震性能特别好，据地震灾害调查，拉线塔抗震性能优于自立钢结构塔。但是，拉线的初应力施加，难以准确测量，只能靠经验估计。当塔很高，拉线很长时，拉线本身有风振动问题，如何采取防振措施，还需研究。此外，拉线塔的占地范围较大，征地较困难，也是推广拉线塔的不利因素。因此，拉线塔仅在220KV大跨越工程中有应用实例。代表性工程是220KV南京燕子矶长江大跨越工程，塔高166M。

3）角钢塔：主要是由角钢或组合角钢用螺栓连接组成的自立式格构结构。主材也有应用厚钢板焊成十字型断面的实例。由于角钢、钢板、螺栓等极大部分构件均可以在自动生产线上生产，加工质量比较容易保证，市场上供应的角钢规格基本上能满足设计需要，结构计算分折和施工图绘制一段均可利用专用程序。与钢管塔相比，它的缺点主要仅是角钢的风荷载体型系数较大，塔身所受的风荷载较大。其次是杆件数量较多，安装工作量较大。因此，角钢塔是国内外大跨越工程选用的主要塔型。代表性工程是500KV江阴大跨越，塔高345.6M。

4）钢管塔：主要是由钢管构件用螺栓连接组成的自立式格构结构，一般也称为全钢管塔。或者是斜材用园钢、主材用钢管，用螺栓连接组成的自立式格构结构，一般称为园钢斜材钢管塔。钢管塔的主要优越性在于风荷载体型系数较角钢塔小，所受的塔身风荷载较小。由于大跨越高塔的主要荷载是塔身风荷载，约占全塔风荷载的50%~80%，塔越高，塔身风荷载占的比例越大。其次是钢管塔的构件较少，便于安装和施工管理。不足之处主要是焊接工作量较大。近二十年来，钢管塔在国内220KV~500KV大跨越工程中得到广泛的应用。代表性工程是500KV马鞍山大跨越工程，塔高257M。

园钢斜材钢管塔，由于园钢受风面积较小，进一步降低少塔身风荷载；斜材作为拉杆设计，充分发挥了材料的特性。但是，拉杆的预应力施加，目前还无法仪器测量，只能靠经验估计，理论计算与实际施工存在误差。因此，目前为止，只有在220KV大跨越工程中有应用实例。代表性工程是220KV南京燕子矶长江大跨越工程，全高193.5M。

（3）经济性比较：过去工程实践表明，由于钢管塔受风荷载小于角钢塔，钢管塔本体的材料量和基础工程量均较小。但是，钢管塔的单位造价要高于角钢塔。因此，钢管塔总的造价（包括基础）约比角钢塔省5%~10%。混凝土塔的本体造价低于钢管塔。但由于自重大，基础工程量大，总体（塔本体和基础）造价与钢管塔相当。拉线塔造价约为钢管塔的80%。表3是500KV江阴大跨越工程，对直线跨越塔的经济比较。

表3 钢筋混凝土、角钢及钢管塔塔型的经济比较

序号 项目 1 2 3 4 5 角钢塔 工地运输 土方和基础工程 杆塔工程 合计 1 1 1 1 钢管塔 0.791 0.861 0.951 0.935 0.935 钢筋混凝土塔 0.1202) 1.715 0.782 0.935 0.936 工程费用以角钢塔为基准的投资比较 1 注: 钢筋混凝土塔塔身的砂、石及水泥运费包括在材料费中.

结论

（1）跨越塔型式的选择应综合考虑跨越塔本体和基础的造价。

（2）跨越塔的荷载以塔身风压为主，一般宜选用风荷载体型系数较小的结构。 （3）混凝土跨越塔，筒身材料简单，容易采购，抗风性能较好。但自重特别大，抗震性能差，不宜用于地震烈度较高或者地基因地震易液化的场地。

（4）拉线跨越塔，结构受力分配合理，抗风、抗震性能好。但占地面积大，拉线本身有风振问题，一般适用于220KV及以下电压等级、地形较平坦、土地易征得的场地。

（5）角钢跨越塔，主要材料是角钢，易采购，极大部分构件可以在自动生产线上生产，加工质量容易保证，应用范围广。

（6）园钢斜材钢管跨越塔，杆件受力合理，风荷载体型系数小，抗风性能好。但斜材的予应力施加难以准确测量。一般适用于220KV及以下电压等级的工程。 （7）全钢管跨越塔，风荷载体型系数较小，抗风性能好。但焊接工作量较大。适宜用于高度较高的跨越塔。

（8）综上比较，特高压大跨越工程，直线跨越塔适用的塔型有钢管塔、角钢塔和混凝土塔。

（9）耐张塔线条张力大，应尽量降低塔高，采用一回路一基塔或二回路一基塔需结合地形、受力条件及电气布置等比较选定。

二、基础

砼灌注桩：施工设备简单，施工无噪声

虽然造价比打入高强度管桩略高约5%，仍得到广泛应用

高强度管桩：管桩加工厂予制质量易保证，造价略纸

但施工过程噪声大，往往附近居民不接受，曾发生施工图设计后改变桩型，因此在大跨越工程上应用极少 三、跨越塔设计

风振系数：100米左右的塔一般采用全塔大于1.6的经验系数，例如1.7-1.75

200米左右的塔按荷载规范计算，先求自振周期，再计算风振系数，考虑横担质量较大的影响

自振周期经验公式

节间长度：钢管杆件的节间长度与管径的比值不满足钢结构规范规定应按梁元进行分析 规定主管不小于12，对支管不小于24 因此杆件径厚比不宜太大

目前最大管径用到1.8m

杆塔风荷载调整系数β

Z

：

现行《02规定》考虑到对一般高度杆塔要计算方便，按全高度内采用单一系数。对较高的杆塔，主要是大跨越杆塔，应按《87荷范》

的有关规定计算,比较合理。一般500kV单回路杆塔的最高塔不会超过60m。以60m分界是合适的。

拉线杆塔βZ值，主要是参照《高耸结构设计规范》的规定，并作了适当提高。

按《87荷规》分段计算,βZ是下小、上大,由下往上逐段增大。各段βZ的加权平均值要求不低于60m高度的规定值。加权平均值的计算式可见《条文说明》。

βZ按《87荷规》分段计算，首先需要计算结构基本自振周期，精确计算应按电算程序（如SAP84），估算或没有电算程序可按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的经验公式： T1=（0.007～0.013）H 式中:H为塔的高度(m)

此公式按该规范建议对钢结构可取高值。但是对大跨越自立式输电铁塔，取低值与电算结果比较符合(表8.3)。

表8.3 结构基本自振周期

自振周期T(秒) 塔 高 电算值 346.5m组合角钢塔(500kV江阴大跨越) 257m全钢管塔（500KV马鞍山大跨越） 229m全钢管塔(500kV芜湖大跨越) 180m全钢管塔(500kV吴淞口大跨越) 2.67 1.75 1.84 1.10 0.007H 2.43 1.80 1.60 1.26 加权平均 1.61 1.61 1.62 1.65 风振系数βZ

从表8.3可以看出，以上几座高度180m以上的大跨越塔，风振系数βZ的加权平均值仅略大于1.6，因此对于高度超过60m一般线路杆塔，如500kV双回路直线塔的最高塔或跨越塔，可能达70m～80m,按60m高度取相同或略高（例如，全高80M取1.65）的单一系数也是安全的。可以不再按《87荷规》分段计算。但是，对高度更高的大跨越铁塔，由于各分段的风振系数出入较大，仍应分段计算，以比较准确地考虑不同高度塔段风压对结构局部构件的影响。同时要满足βZ的加权平均值不低于60m高度的规定值。

钢管的微风振动处理

现行杆塔设计技术规定对钢管微风振动的规定参考资料比较陈旧，实际工程并末应用

工程上通常限制杆件长细比不大于160，依据是参照国内唯一发生过钢管由于微风振动而损坏的实例

工程上也有限制长细比150或140

从500kv芜湖大跨越、马鞍山大跨越等工程实践看，控制长细比到160是安全的 同济大学，还有电建院近年来做过些试验研究，尚未得出实用的结果 国家荷载规范是对结构整体，不是对构件

杆件连接方式

塔身主材：法兰连接，通常用刚牲法兰

塔身横材、斜率较大的斜材、交叉材的交点：相贯法兰连接 其它材：插板连接或相贯法兰连接

500kv马鞍山大跨越

1000kv大跨越

插板型式的选用

槽型或t字型：杆件内力不大，螺栓数量能在板上布置，适用大部件杆件 u型：杆件内力较大，螺栓数量多，必须螺栓双剪减少数量，加工要求较高

十字型：杆件内力很大，必须十字双剪，与主材连接构造较复什，近年来用于交叉材交点 具体应用时应与相贯法兰连接作比较

附属设施

占相当大的设计工作量

100米到150米左右的塔可采用塔中心旋梯或绕塔外围旋梯，前者比较经济，结构简单 日本式沿主材的爬步机在大跨塔上还没有应用经验 200米左右的塔通常采用电梯加井筒或井架外围旋梯

电梯型式分曳引式和齿条式，运行实践表明国内曳引式较好，多数采用曳引式

选择合适的井筒直径、壁厚

配合轿箱尺寸井筒直径至少1.7米，近年来多数采用1.9米，壁厚12毫米，壁厚较簿容易焊接变形

220kv吴思大跨越

500kv马鞍山大跨越 1000kv大跨越

防止大尺寸横隔面变形措施

大尺寸横隔面自重较大，容易下垂变形，通常可在隔材中点设置拉条，拉在塔身主材上 构件的分段长度

单件重量

考虑施工单位的吊装设备能力，通常不大干10t

施工吊装的附件设置

应征求施工的意见，确保施工安全、方便

重视高强度螺栓的塑性指标

8.8级及以上螺栓不仅要强度指标合格，还要塑性指标合格，否则会发生脆断 工程上有案例，新规程己有提示 耐张塔的设计

大跨越耐张塔的特点：挂点构造较复什，大跨越侧和线路侧挂点型式不同，且往往两岸转角角度或方向不同，横担不能对称使用；塔高较低但顺线方向张力很大

根据以上特点，耐张塔通常选用角钢塔，塔身断面设计成纵向尺寸大干横向的矩形断面 选用角钢塔是因为角钢构件基本上可以在流水生产线上生产，质量易保证。而钢管塔体型系数小的优点在高度不高的耐张塔上己不能充分发挥。且角钢塔的挂点较容易构造。

塔身断面在纵向尺寸略大于横问对耐张塔长期受纵向张力情况下减少塔向受力侧变位量是有利的。

耐张塔的塔型选择

大跨越耐张塔的荷载特点是导地线张力很大。虽然耐张塔相对于直线跨越塔，塔较小，造价占工程总造价比例小。但是塔型选择的合理性，也关系到工程的安全和经济性。

大跨越耐张塔的塔型，常用的有单回路的干字型、酒杯型。其次是双回路的伞形或鼓形。此外，还有一相导地线一根柱子的单柱型，或者一相导地线一根柱子组成的框架型。 干字型耐张塔，一基塔对应一个回路，跨越侧与陆上线路侧的导线挂在同一标高的横担两侧，导线呈三角形布置，与直线跨越塔导线布置相协调。这种塔型构造简单，受力清晰，有丰富的设针、施工和运行经验，大跨越工程中应用较多。 酒杯型耐张塔也是一基塔对应一个回路，但塔上设两层横担，上层横担可挂张力较小的陆上线路三相导线和一相张力较大的跨越侧导线；下层横担挂张力较大的跨越侧两相导线。这样可减小跨越侧导线对塔产生的弯矩。经济指标略优于干字型。但由于结构构造较复杂，工程上应用较少。

双回路耐张塔在一般线路工程中是一种常用的塔型，有成熟的经验。但在大跨越工程中，由于张力荷载很大，较少采用。一般只用于电压等级较低，或张力不大的情况。双回路耐张塔也可采取类似酒杯塔降低跨越侧张力作用点高度的措施。单柱型或框架型，由于占地面积较大，应用实例更少。

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