钢管杆在架空电力线路中的应用与优化
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作者: 李善金 耿伟亚
摘要：钢管杆现在大量用在城市架空输电线路上，具有美观、占地少的特点。由于设计水平等因素，同样使用条件下，不同厂家生产的钢管杆重量却相差很大。本文利用扰度计算，从钢管杆根部着手，优化梢径、锥度、分段长度和截面形状等，使钢材充分利用，使杆段板材综合应力比趋于平衡，达到节约钢材的目的。
关键词：输电线路；钢管杆设计；综合应力比；地脚螺栓分布圆
作者简介：李善金（1982-），男，四川沐川人，河南商丘供电公司电力设计院，工程师。（河南 商丘 476001）耿伟亚（1976-），男，河南夏邑人，河南商丘供电公司夏邑供电局电网改造办公室，工程师。（河南 夏邑 476400）
中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0147-01
钢管杆以其占地小、基础不影响其他管线的敷设、附件设计灵活多样、塔材不易被盗等优点，广泛应用于城区、市郊、开发区输电线路工程中。近年来，农网改造工程持续稳步推进，电力线路新建改造工程日益增多；同时，城市建设步伐加快、城市用电量迅速增长、市政建设道路修扩以及地块开发等诸多因素，架空电力线路增设、改建、迁移要求也越来越多。因城市线路通道有限，多回路架设应用越来越多，在这种条件下，城市钢管杆在城市电力线路中优势越发明显，另外，随着Q390、Q420甚至更高强度的钢材应用，钢管杆可以设计得更加紧凑、美观。但正是由于钢管杆这些特点，钢管杆的钢材用量比较大，其材料费用在整个线路工程中所占的比例也远比自立式铁塔高。综合考虑制造工艺、施工方法（包括运输安装）以及运行维护和环境因素，本文结合以往工程设计经验，提出钢管杆设计优化经验和方法，以达到减轻重量、节约钢材并降低工程造价的目的。
一、钢管杆的截面及分段
通过分析比较钢管杆截面特性，环形截面具有较好的受力特性，其次是十六边形，再次是十二边形……边数越多受力越优、材料相对耗用小，但加工难度增大。
由于钢管杆壁厚逐渐变化，需要分若干段，一基杆塔中间法兰不宜超过4个。但又受到运输和模压、热镀锌的工艺限制，每段杆段长度宜确定在10m左右，当壁厚较大时（>22mm），还应根据加工厂的设备能力适当减少段长，否则将无法压制。
二、钢管杆力学性能相关计算
由《架空送电线路钢管杆设计技术规定》相关条文知道，钢管杆力学模型为一个悬臂梁，由水平力FH引起的扰度；由弯矩M引起的扰度；式中；L1为力或弯矩作用点高度；c、和φ分别为与截面形状有关的常数；E为钢材弹性模量，近似为常数。
法兰螺栓的最大拉力可按公式计算，其中：M为法兰所受弯矩；N为法兰所受的轴向作用力，压力时取用负值；Yi―螺栓中心到旋转轴的距离；Y1―受力最大螺栓中心到旋转轴的距离。
地脚螺栓分布圆直径应满足公式，其中：DG为钢管杆根径，mm；d为螺栓直径，mm。
三、钢管杆的根径、梢径及锥度
从钢管杆相关特性计算公式上可以知道，钢管杆的挠度与截面惯性矩IB成反比，对其扰度控制起决定性作用的是根径的数值，钢管杆根径DG对挠度的贡献远远大于壁厚t。在其他外形参数不变的情况下，扩大梢径或根径尺寸，均可使钢管杆的整体刚度显著提高。钢管杆的锥度大小由杆的荷载大小决定荷载越大，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，梢径不能过小，故锥度过大又势必导致根径过大，一方面浪费材料，同时严重影响美观。
通常，直线杆的梢径取250～400mm，锥度取1/75左右；0～20°转角杆取300～500mm，锥度取1/65左右；20～40°转角杆取400～600mm，锥度取1/55左右；40～60°转角杆取500～700mm，锥度取45左右；60～90°转角杆取600～800mm，锥度取1/35左右。
当杆塔荷载不同时，综合占地、美观、材料量、挠度等因素，杆塔的梢径和锥度应该根据荷载大小进行优化。
四、优化计算方法
分析钢管杆荷载情况可以知道，钢管杆承受的弯矩主要来自三方面：导地线风荷载、导地线张力和杆身风荷载；其中由导地线引起的弯矩为占较大比例。
在钢管杆设计时，先利用常用的梢径、锥度值，计算出杆塔的根径。根据杆塔使用条件，设计出钢管杆的单线图，计算出钢管杆根部弯矩及轴向作用力以及力的作用高度。根据钢管杆的荷载情况，可以计算出钢管杆根部螺栓规格及分布圆。由于地脚螺栓规格一般是M24、M30、M36等，计算时可以通过调整地脚螺栓数量及分布圆情况，使地脚螺栓为使地脚螺栓充分利用。根据计算得到的地脚螺栓分布圆可以反推得到钢管杆根部直径，然后根据钢管杆局部稳定计算及杆塔扰度限值，调整钢管杆的梢径、锥度、壁厚、分段长度等参数，使钢管杆的板材得到充分利用。
钢管杆根据根径调整相关外形参数后，会导致杆塔的荷载情况有所变化，这个变化主要为杆塔风荷载和重力荷载的变化，相对较小，因此计算地脚螺栓时留2%～3%的余量即可。
五、计算举例
以国网公司典型设计（2011版）1GGE4-SJ4型钢管杆为例，计算导地线在钢管杆根部引起的弯矩值为9645kN・m，水平力为328kN，合力作用点高度为29.4m，按扰度控制在10‰左右，可以初步估算出根部直径为1700mm，壁厚为14mm，地脚螺栓规格为36M64（综合应力比80％），根据估算直径，优化计算钢管杆对比结果。
通过优化计算可以知道，初步估算出钢管杆根径和壁厚后，通过调整梢径、分段长度，可以使钢管杆材质的综合应力比更加合理、均衡，从而达到降低重量的目的。
六、结束语
根据钢管杆上导地线的荷载情况，优先确定钢管杆的根部尺寸及地脚螺栓规格，进一步优化钢管杆根部杆段，自下而上的计算钢管杆杆身，从而可以使钢管杆优化计算工作量大大减少，也可以使钢管杆的锥度、壁厚和分段长度设置更加合理，使每一段钢管杆的板材可以更有效地使用。
对于输电线路的钢管杆，特别是转角钢管杆，其设计选材结果往往是挠度控制而非强度控制。现在已经有多种钢管杆计算软件，可以通过计算确定一个较合理的钢管杆根部尺寸，然后在软件建立相关模型，利用软件计算功能调整杆身截面尺寸、直径、壁厚和锥度等，直到满足规程相关规定为止。从而减少手工计算的工作量，同时也利于钢管杆计算优化，提高材料的利用率，设计出更轻的钢管杆。
参考文献：
[1]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2003.
[2]DL/T 5130-2001,架空送电线路钢管杆设计技术规定[S].
（责任编辑：麻剑飞）
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