一种新型倾斜式输电铁塔延长腿的设计研究

鄢秀庆 李美峰 罗海力 辜良雨 蒲凡

西南电力设计院有限公司 成都610021

引言

随着输电线路的不断发展，线路电压等级也越来越高，受走廊及环境等因素影响，在塔位选择时常面临坡度超过40°的陡峭地形。尽管采用全方位长短腿可以解决一部分问题，但是由于最大级差的限制，与实际需求还有较大差距。在这种情况下，铁塔必须借助上边坡开方或下边坡基础上抬才能满足地形需要。开方破坏了原始地形地貌，造成较大的临空面，容易引发水土流失和塌方；另一方面，基础外露较多亦造成施工困难，且存在较大的安全风险，经济性较差。

为了解决地形条件的限制问题，需要增大接腿级差和减小基础外露，目前已经应用的方案主要有采用高度3m左右的钢柱和采用高度8m～9m的独立小塔两种［1，2］，这两种方式在适应地形的能力上均存在不足。本文结合实际工程，提出一种采用倾斜式高低腿的延长腿，并就延长腿的计算方法、布置形式进行对比分析，提出设计建议。

1 计算模型的选取

1.1 上部铁塔模型

本文以某500kV双回路铁塔SJC2为分析对象，该塔为右转塔，主要材质为Q355、Q420角钢，铁塔外形尺寸如表1和图1所示。

表1 耐张塔外形尺寸Tab.1 Overall dimensions of the tensile tower

图1 耐张塔示意Fig.1 Schematic diagram of tensile tower

1.2 延长腿模型

延长腿假定为TJ1型，主要材质为Q355、Q420角钢，假定它与耐张塔C腿连接。其外形尺寸如表2和图2所示。

表2 延长腿外形尺寸Tab.2 Dimensions of extended legs

图2 延长腿模型示意Fig.2 Sketch of extended leg model

1.3 铁塔-延长腿组合模型

当塔腿与基础连接时，由于水平推力的作用，导致基础顶部产生一定的水平位移。以桩基础为例，设计计算时一般控制在6mm～10mm左右。延长腿为空间桁架结构，与塔腿以铰接方式连接［3］，如图3所示。自身刚度远不如混凝土基础，因此延长腿顶部的位移比混凝土基础更大。

图3 铁塔-延长腿平面示意Fig.3 Tower-Extended leg plan view

水平位移增大可能导致上部铁塔的内力重分布，因此只有将延长腿和铁塔连接为一个整体进行计算，才能反映真实的受力情况。

2 延长腿的布置方式优化设计

延长腿的布置方式对杆件受力、施工难度、塔腿位移等方面都有重要影响，本文根据工程经验，初步确定了五种延长腿的布置方式，见表3。

表3 延长腿布置方案说明Tab.3 Extension leg layout plan description

采用Smarttower软件对双回路铁塔SJC2进行整体计算分析，铁塔呼高42m，延长腿高度11.0m，铁塔C腿与延长腿连接，采用铰接模型计算［4］，得出五种方案的最大内力和塔重比，结果如表4所示。

各方案延长腿顶部最大水平位移（水平力合力方向）均由大风工况控制，从表4和图4可以看出：方案一～方案三水平位移较大，同时也大幅大于工程经验值6mm～10mm［5］，不满足工程要求；方案四～五相对较小，满足相关要求。各方案竖向位移较小，为3mm左右，与常规基础计算相当，满足工程应用要求。因此，延长腿推荐采用方案四或方案五。

表4 延长腿五种布置方式的计算结果比较Tab.4 Comparison of calculation results of five layouts of extended legs

图4 五种布置方式的计算结果比较Fig.4 Comparison of calculation results of five layout methods

由于方案五旋转后加工和基础定位复杂，因此最终推荐实施更为简便的方案四布置方式。

3 铁塔-延长腿的受力分析

选取同塔双回路耐张塔SJC2，延长腿采用第四种倾斜式延长腿方案，延长腿与C腿相连，构件型式为角钢。铁塔的杆件编号见图5所示。

图5 杆件编号示意Fig.5 Schematic diagram of rod number

考虑到塔身变坡以上受腿部位移影响较小，本节重点对变坡以下的塔身主材和隔面杆件的内力进行对比分析，表5分别计算了SJC2耐张塔独立模型A计算轴力，SJC2与TJ1组合模型B计算轴力。

表5和图6表明，采用延长腿组合模型后，杆件应力变化最大的是横隔面交叉材。除此之外，B、D腿斜材内力增大了1.64倍和1.09倍，D腿主材内力增大了1.04倍，A、C腿主斜材内力都略有减少。可见，延长腿造成了原铁塔的内力重分布，因此，应用延长腿方案时，需采用整体模型对原铁塔进行校验。

表5 角钢塔独立模型与组合模型杆件内力对比表Tab.5 Comparison table of internal force of independent model and combined model

图6 两种模型轴力比Fig.6 Axial force comparison of two models

4 工程造价比较

从图7可以看出，采用延长腿方案，各腿基础形式可采用单桩基础，上边坡仅存在施工操作平台开挖［6］。而采用常规铁塔方案，在采用最大级差的情况下，上坡仍然需要开方5m以上，下坡需采用承台挖孔桩基础，承台高度8m，施工难度较大。

图7 铁塔基础配置Fig.7 Basic configuration of tower

表6 两种方案经济性比较Tab.6 Comparison of the economics of the two schemes

表6从塔重、基础混凝土、基础钢材、土石方进行了对比。从表中可以看出，采用延长腿后，铁塔重量增加了9t，但混凝土用量节约38%。延长腿方案综合造价比常规铁塔方案节省23%。因此，采用倾斜式延长腿方案具有较好的经济效益。

5 结语

本文提出了一种适用于地形陡峭塔位的新型倾斜式延长腿方案，并对其布置方式和对上部铁塔的影响等方面进行了分析，主要有以下结论：

1.新型倾斜式延长腿采用与上部塔腿等坡度倾斜式的布置方案，塔重最轻，顶部位移最小，受力最合理。

2.新型倾斜式延长腿顶部的变形会导致上部铁塔的内力重分布，因此，需采用铁塔-延长腿整体模型对原铁塔进行校验。

3.采用新型倾斜式延长腿方案后，可以显著增加级差，避免对上边坡大量开方。