输电线路钢管杆的优化设计

摘要 钢管杆具有安装方便、占地面积小的特点，被越来越多地用在城区线路规划中。针对钢管杆造价高的的特点，通过对计算控制因素、杆型规划、几何尺寸选取、杆身及杆段的连接方式等的深入分析，给钢管杆优化设计提出了一些有意义的建议。

关键词 输电线路 钢管杆 优化设计

输电线路常用铁塔和钢管杆架设线路，与铁塔相比，钢管杆具有安装方便，占地面积小的特点。近几年，随着城市化进程加快，城市规模不断壮大，为了不影响或减少影响城市规划，城区、市郊和开发区输电线路杆塔越来越多的采用钢管杆。钢管杆相对于角钢塔造价高，为了节约投资，钢管杆设计在工程投资中起着非常重要的作用。钢管杆造价受到荷载大小、制造工艺、施工方法、运输距离、运行维护等因素的影响，在设计中应综合上述因素的影响。本文结合近几年新疆地区输电线路钢管杆设计的经验，分析钢管杆优化设计中考虑的诸多因素，给钢管杆优化设计提出了一些有意义的建议。

一、钢管杆计算控制因素

输电线路钢管杆的主体结构为等径或不等径的钢管构件，抗侧刚度较格构式铁塔小，故在同工况荷载作用下，其杆端挠度相应较大。《架空送电线路钢管杆设计技术规定》(DL／T5130-2001)规定了在荷载的长期效应组合下作用下，钢管杆杆顶的最大挠度不应超过下列数值：直线杆不大于杆身高度的5‰，直线转角杆不大于杆身高度的7‰；转角和终端杆不大于杆身高度的20‰。钢管杆在设计中若根据强度计算选材，直线杆最大挠度将超过规范限值，转角杆和终端杆的挠度甚至可达到30‰以上，远远超过了《架空送电线路钢管杆设计技术规定》对挠度的要求。因此，与格构式铁塔不同，输电线路钢管杆在大多数情况下，选材的规格由挠度控制。

钢管杆挠度是由导地线的水平荷载及垂直荷载、集中弯矩、杆身风荷载、挠度的二次效应产生的。

式中为钢管杆的界面边数；为杆身的直径；t为壁厚。 二、钢管杆的优化设计

1．杆型规划。杆型的规划直接决定荷载的大小，而荷载的大小是钢管杆在设计中的决定因素，因此合理的杆型规划对整体工程造价的影响很大。在杆型规划时，首先应配合电气专业综合分析该工程的路径、沿线地形、地貌、地物及跨越的障碍物，确定杆型的经济呼高及挡距。转角杆的角度划分也是杆型规划中的重要环节，一般以20。划分一档。如果该工程路径曲折系数大，转角数量多且角度使用广，可对角度划分进一步细化，可按10。一档划分。角度力往往控制转角杆的选材，合理的安全系数可降低转角杆的重量。如果转角多，可适当提高安全系数。若路径曲折系数小，转角少，地形较开阔，可减小安全系数，更充分利用钢杆的呼高。在钢管杆，杆型的规划相当关键，需综合、全面的分析和考虑。

2．几何尺寸优化。钢管杆壁厚、锥度、梢径、截面形状、杆段划分等是钢管杆优化设计的直接因素。

(1)壁厚。由公式(1-1)可以看出，钢管杆的挠度与截面惯性矩成反比，钢管截面越趋于环形，挠度越小。杆身直径对挠度的影响远远大于壁厚，如果是挠度控制选材，适当扩大稍部直径，可使钢管杆的整体刚度显著提高。若增加壁厚，重量会大幅增加，而刚度的提高效果不明显。

(2)锥度和梢径。锥度的大小由钢杆的荷载大小决定，钢杆所受荷载越大，弯矩包络图斜率就越大，从而需要越大的锥度以保证受力合理。但由于挠度控制的要求，稍径不能过小，故锥度过大又势必导致根径过大，既浪费材料又影响美观。根据笔者对新疆维吾尔自治区内多年钢管杆设计经验，钢管杆的合理锥度可按表2-1进行取值；梢径按表2—2取值可，在合理杆重范围内可取得较优的杆身刚度。在设计中，取值由荷载的大小决定，单回路小截面导线靠近下限进行取值，双回路、多回路、大截面导线可靠近上限取值。

(3)截面形状。常用钢管杆有环形截面和多边形截面两种截面形式。环形截面即为内外径为同心圆的环状形式，多边形截面则是因管径大小而变数不同的等边多边形。从力学角度分析，环形截面优于多边形截面。环形截面在加工上也可实现，但较多边形截面难度大，且环焊缝较多，因此在实际工程中常采用多边形截面。110KV单回路小导线直线杆和0。。40。转角杆采用八边形截面，双回、多回或40～90°转角杆采用十二边形截面。220KV单回路直

线杆和0～40°。转角杆采用十二边形截面，双回、多回或40°～90°转角杆采用十六边形截面。

(4)杆段划分。钢管杆壁厚由上至下逐渐增大，需分为若干段，但受到运输、镀锌和模型压制的限制，杆段长一般不超过12m。杆段太长不宜运输和加工，太短连接点太多，增加了杆重。根据多年钢管杆的设计经验，每段长度在lOm左右为宜，也可据工程实际情况在8m～12m内调整。杆段长度也要考虑运输因素，若长距离运输，设计前应和厂家沟通，确定合理的段长，减少运输的成本。

3．合理选材。钢管杆的钢材一般采用Q235、Q345两种，以上两种钢材的材料性能可满足大多数的工程条件。对于220kV大截面导线、双回路的工程选用Q345钢时，钢管杆则较重，在挠度可控的前提下，部分可采用Q420钢，可有效降低杆重。

4．连接方式。

(1)杆身焊接。由于现场焊接的质量难以保证，钢管杆杆身严禁在现场焊接，纵向焊缝也应尽量减少，钢管杆是一个压弯结构，其受力以弯矩为主，杆身一侧存在巨大的拉力，环焊缝质量不合格将很容易撕裂，造成杆身横向断裂倒杆，因此钢管杆加工时严禁环焊缝。因此应将杆身截面形状设计成多边形，杆身由几块钢板压模后纵向焊接而成。在加工设备条件允许的条件下，杆身尽量由两块或者三块钢板焊接而成，最大限度地减少对接焊缝。

(2)杆段的连接方式。钢管杆杆段连接方式有两种，套接和法兰连接。小荷载杆型可采用套接，套接的优点在于美观、检修时方便。荷载较大杆型应优先选用法兰连接，法兰连接杆身的整体刚度较好，可以有效地减小杆顶挠度。采用套接方式连接，因荷载大套接长度较长，对厂家的加工精度要求更高，安装相对较麻烦，且杆重比法兰连接方式要重。

三、结束语

1．输电线路钢管杆的主体结构为等径或不等径的钢管构件，抗侧刚度，杆端挠度相应较大，在钢管杆设计计算时，其选材一般由挠度控制。

2．杆型规划对工程造价影响较大，需综合考虑线路路径、转角范围等诸多因素的影响。若路径曲折系数大，转角数量多且角度使用广，可细化角度范围．可按10度一档划分。若

路径曲折系数小，转角少，地形较开阔，转角范围可按照20度一档划分，并适当可减小安全系数，以节约投资。

3．分析了壁厚、截面尺寸、锥度、梢径等几何尺寸在钢管杆优化设计中的影响，给出了锥度、梢径、杆端划分的建议值。杆身焊接禁止环焊，尽量减少对接焊缝。小荷载杆型采用套接，大荷载杆型应优先选用法兰连接。