杆塔结构优化设计技巧

杆塔结构的优化设计主要遵循以下原则：①以确保铁塔的强度、稳定、刚度及安全、可靠运行为前提条件；②构件的布置合理、结构形式简洁、传力路线直接、简短、清晰；③降低铁塔钢材耗量，使铁塔造价经济合理；④兼顾杆塔的节约环保性、降低杆塔施工难度、增强杆塔运行期间的可维护性。

在此基础上，杆塔结构设计时一般针对塔头布置、塔身坡度、主材节间及腹杆布置、塔身断面形状、横隔面布置、节点设计、长短腿设计等方面进行优化。

27.8.4.1　塔头布置

在满足电气间隙的基础上对塔头布置进行优化，不仅可以使塔型更美观，而且对降低杆塔重量也是至关重要的。设计中应尽量使塔头结构紧凑，主材传力简洁，节点受力可靠，外形美观。

27.8.4.2　塔身布置

塔身坡度及根开的选择对铁塔重量的影响较大，它直接影响塔身主材、斜材的规格以及基础作用力。

铁塔设计中，应在给定荷载条件下，对塔身坡度和根开进行了多方案组合优化，通过对各种组合铁塔计算重量及基础作用力的比较，在保证铁塔具有足够强度和刚度的条件下，优化出铁塔的最佳坡度。

27.8.4.3　主材节间及腹杆布置

塔身腹杆的布置与塔身节间的调整应同时考虑，设计时可先确定主材的合理计算长度，使主材的强度、稳定达到最佳受力状态，在此基础上确定主材的节间长度，然后布置塔身腹杆，再根据塔身腹杆的布置情况，合理优化塔身节间，最终得到最佳的主材节间及腹杆布置方式。

构件规格的选取不仅与其所承担的内力有关，还与构件长度有关，内力不变的情况下（塔身坡度确定后），规格与构件的长度成正比，合理的确定主材计算长度后才能更好地布置主材节间。

腹杆的布置主要遵循以下原则：①使主、斜材受力分配合理，塔身布材均匀协调，传力路线清晰，结构布置简洁；②合理控制腹杆的水平角，使腹杆受力均匀；③优化斜材长度、坡度，筛选大交叉、小交叉，比较平行轴、最小轴等多种布置方案，降低塔重；④通过优化塔身隔面间交叉腹杆数量及在隔面处设置K形腹杆等形式避免腹杆出现同时受压。

27.8.4.4　塔身断面形状(www.xing528.com)

根据横向水平荷载与纵向水平荷载大小的比值，通常直线塔断面形状有矩形和方形两种。矩形断面的塔身风荷载较小，当纵向荷载较小时，使用正面根开大、侧面根开小的矩形截面塔，杆塔重量可以相对较小。方形塔的整体刚度要好于矩形塔，特别是在大档距负荷条件下，矩形塔显得纵向刚度薄弱；对全方位塔，方形塔长短腿与塔身的连接要比矩形塔简单，加工、施工均要方便。

27.8.4.5　横隔面布置

杆塔设计中，常需设置横隔面，且隔面必须是几何不变体。一般在杆塔塔身坡度变更的断面处、直接受扭力的断面处和塔顶及塔腿顶部断面处应设置横隔面；而且在同一塔身坡度范围内，横隔面设置的距离，一般不大于平均宽度的5倍，也不宜大于4个主材分段[6]。横隔面的型式通过以往工程的经验积累和不断优化，许多已经成为了典型隔面型式，图27-19给出了常用的几种隔面型式。

杆塔结构布置过程中，应合理设置横隔面，防止杆塔传力出现混乱。横隔面的几何形状应综合考虑断面尺寸和荷载大小，对钢管塔或角钢塔头部或塔身断面较小时，主要采用图27-19（a）、（b）、（c）及（d）型式，对于塔身截面尺寸较大的部位（如塔腿顶面处）则主要采用图27-19（e）、（f）及（g）型式。较大的横隔面在布置时应尽量减小构件的计算长度，从而减小构件规格，降低横隔面重量。

图27-19　杆塔中常用的隔面型式

27.8.4.6　节点设计

节点的设计应使连接紧凑，具有足够的刚度，同时在满足构造要求的前提下尽量简化，避免次应力的产生，降低塔重。

节点是钢管塔设计的重要工作，是杆塔加工中焊接工作量最大的部分，是控制加工效率的主要环节。传统钢管塔采用的相贯节点，焊接工作量大，在皖电东送工程设计中大量采用插板（钢管杆塔横担主材与塔身连接宜采用“十”字型插板）连接，较大幅度地降低了焊接工作量，避免了相贯线切割，提高了加工效率。对插板采用标准化设计，还可节省大量的管头设计，提高了设计效率和质量，也使插板的批量生产成为可能，有利于工程的质量控制。

27.8.4.7　长短腿配置

特高压工程建设对环境保护和水土保持提出了更高的要求，位于山地地形的线路均要求采取铁塔长短腿+高低基础的配置方式，尽可能利用地形，以减少基面开挖。结合长短腿对塔重的影响，从经济角度出发，需要统计并确定工程沿线塔位的地形最大坡度的平均值，铁塔长短腿控制级差按对角线与平均最大地形坡度一致来控制。一般，根据不同呼称高铁塔长短腿最大级差规划为6.0～15m，基本级差为1.5m，最大腿长宜控制在20.0m以内。个别地形坡度较陡的塔位，一方面采用高低基础来调节，另一方面也可根据铁塔的使用情况来进行验算，提高长短腿级差的使用范围，从而实现经济和环保设计的目的。