1、主讲主讲:赵先德赵先德第五章第五章 杆塔强度校核杆塔强度校核 第四节第四节 铁塔型式选择和结构要求铁塔型式选择和结构要求 第1页，共26页。在铁塔设计中广泛采用等边角钢，只有个别构件采用不等边角钢或槽钢。架空输电线路的铁塔是由型钢组成的空间桁架。型钢的断面形状为等边角钢、不等边角钢、槽钢或无缝钢管。大跨越的高塔有时采用无缝钢管铁塔或用角钢组成的组合断面铁塔。一、塔型选用原则和常用塔型的优缺点 在实际设计中，为了加快进度，一般很少重新设计铁塔，而是根据工程情况尽量采用国家电网公司输电线路典型设计。这时，选用铁塔需考虑以下几点。(1)铁塔的技术设计原则、结构、材料等应符合有关规程的规定。(2)铁塔
2、的设计条件及各种情况下的荷载应满足工程的需要。当工程某种情况下的荷载，超过选用铁塔的设计荷载时，应按工程实际的荷载进行铁塔的强度验算。对超过允许应力的构件应予更换。第2页，共26页。(3)铁塔高度、头部尺寸(如线间距离)应满足电气的要求，并尽量满足带电作业的要求。(4)避雷线支架高度、保护角等应满足防雷保护的规定。(5)选用铁塔的回路数，导线排列方式，避雷线根数应与全线路其它电杆相配合。(6)选用的铁塔，应当是钢材消耗量最少，造价低，加工制造方便，便于施工组立，并应考虑材料供应的可能性。(7)铁塔用于线路拥挤地带时，应注意所选铁塔的根开大小和埋设基础的可能性，并尽量减少占地面积。(8)避雷线支
3、架及导线横担绝缘子串悬挂点的连接结构方式，应满足工程使用的要求。(二)各种塔型的优缺点 根据铁塔结构布置的不同，或导线在铁塔上的不同布置方式，铁塔型式是多种多样的。输电线路常用的铁塔型式和优缺点如下。第3页，共26页。1、输电线路常用的铁塔型式(1)单回路直线塔：有三角型、上字型、上字型拉线塔、酒杯型及猫头型等。(2)双回路直线塔：有鼓型塔(或称六角型塔)。(3)单回路耐张、转角塔：有酒杯型和干字型铁塔。(4)双回路耐张、转角塔：有鼓型铁塔。2、输电线路常用的铁塔型式的优缺点 如图4-12所示为上字型直线铁塔。该塔的优缺点如下：便于导线换位。结构简单传力清晰，断线情况下结构刚度较门型铁塔大；塔
4、身及横担的构造简单，构件数量及规格较其它塔型少，便于加工制造和材料供应；该塔根开小，占地面积少；该塔重量轻，可以整体组立或分段组立，施工方便；u优点：第4页，共26页。由于导线分上下两层布置，在考虑带电检修作业时，需加大上下导线的垂直距离和水平位移，因而使铁塔的横担加长，在断线情况下的扭矩增大。采用单根避雷线，比酒杯型铁塔节省钢材；u缺点：该塔适合与单杆线路配合使用，可用于平地或山区，但不适用于重冰区；由于塔身一侧为一相导线，另一侧为两相导线，故承受不平衡垂直荷载，使铁塔经常向两相导线侧产生弯矩，从而可能引起塔头的偏斜；由于导线上下两层布置，故铁塔较高，施工安装上导线时需绕过下横担，施工比较麻
5、烦；由于采用一根避雷线，其保护角较大，所以耐雷水平比两根避雷线的铁塔差，不宜用于重雷区；第5页，共26页。这种铁塔与上字型铁塔的优缺点基本相同。用于山区时，将中横担放在靠近山坡侧，可以充分利用塔高，减少边坡的开挖土石方量，所以这种铁塔用于山区比上字型铁塔较为有利。图4-13所示为三角型铁塔亦称鸟骨型换位塔。该塔构造简单、加工制造方便、重量轻、便于运输和施工组立，适合于山区线路，以代替笨重的钢筋混凝土电杆。其缺点是：由于山区地形复杂，故拉线的施工比较麻烦；一旦拉线折断，容易造成倒塔事故。如图4-25、4-28所示为上字型拉线和拉线V型塔铁塔。上字型拉线铁塔的塔身断面，可用圆钢或角钢做成方形或三角
6、形的。图4-16所示为洒杯型直线铁塔。u优点：适合与双避雷线、导线水平排列的双杆线路配合使用；导线、避雷线对称布置，在正常情况下没有不平衡力矩，塔身稳定性较好；第6页，共26页。架设两根避雷线，可获得较小的保护角，耐雷水平较高。导线水平布置，可以充分利用塔高，同时避免导线舞动时相碰鞭击或闪络现象，适用于重冰地区；便于带电检修作业；该塔钢材消耗量较上字型或三角型塔为大，故档距较小时往往造成浪费；u缺点：塔头构造复杂，构件数量和规格较多，同时构件长度尺寸难予准确，所以加工制造和施工组装比较麻烦；横担较长，占用线路走廊宽；用于山区时，由于受边导线对山坡距离的控制，故该塔高度有时不能充分利用；中间导线
7、在施工架线或运行检修落地时比较麻烦。图4-15所示为猫头型直线铁塔。第7页，共26页。该塔中相导线高于边相导线，因此导线间的水平距离可以缩小，从而减少断线时的力臂、降低钢材消耗量，目前多采用这种塔型。这种铁塔比酒杯型塔重量轻、加工制造方便、便于施工组立、线间距离小，用于线路走廊狭窄的拥挤地带较为有利。单回路耐张杆或终端塔，220Kv、500Kv多采用图4-174-20所示。在发电厂或变电站进出线走廊狭窄拥挤的地带，往往采用双回路铁塔，以减少线路走廊宽度，目前经常采用的双回路铁塔，如图4-21、4-22、4-24所示的鼓型(或称六角型)铁塔：二、铁塔结构的基本要求和斜材布置形式 整个铁塔可分为塔
8、头、塔身和塔腿三部分，如图5-4-1所示。第8页，共26页。图图5-4-1铁塔结构图铁塔结构图(a)酒杯型塔；酒杯型塔；(b)三角型三角型(克里姆型克里姆型)塔塔l-避雷线顶架；避雷线顶架；2-横担；横担；3-主材；主材；4-斜材；斜材；5-辅助材；辅助材；6-水平材；水平材；7-横隔斜材；横隔斜材；8-节点；节点；9-节间节间 对于上字型或鼓型塔，下导线横担以上称为塔头部分；酒杯型塔或猫头型塔颈部以上称塔头部分。一般将与基础连接的那段桁架称塔腿。塔头与塔腿之间的桁架称为塔身。第9页，共26页。为保证铁塔主柱形状不变及个别杆件的稳定性，需在主柱的某些断面中设置横隔材。由于构造上的要求和减少构件
9、的长细比而设置辅助材。铁塔的塔身为柱形立体桁架，桁架的断面多呈正方形或矩形。桁架的每一侧面均为平面桁架，立体桁架的四根主要杆件称为主材。在主材的每一个平面上有斜材(或称腹材)连接。两节点中心间的距离称为节间长度。斜材与主材的连接处或斜材与斜材的连接处称为节点。杆件纵向中心线的交点称为节点中心。相邻两节点间的主材部分称为节间。1、组成塔架的杆系形式 塔架一般由若干片平面桁架组成。平面桁架的杆系布置常有单腹杆系、双腹杆系、再分式腹杆系、K形腹杆系、倒K形腹杆系等，见图5-4-2。第10页，共26页。图图5-4-2 5-4-2 平面桁架的杆系形式平面桁架的杆系形式(a)(a)单腹单腹杆杆系；系；(b
10、)(b)双腹杆系；双腹杆系；(c)(c)柔性腹杆系；柔性腹杆系；(d)(d)、(e)(e)有辅助杆件的双腹杆系；有辅助杆件的双腹杆系；(f)K(f)K形腹杆系；形腹杆系；(g)(g)倒倒K K形腹杆系；形腹杆系；(h)(h)混合腹杆系混合腹杆系 单腹杆系（如图5-4-2a）所示,常用在荷载小、结构尺寸小的结构中。单腹杆系布置比较简单，适用于塔身较窄和受力较小的塔型。斜材与主材最有利的交角为45，当有水平斜材时，此角可减少至35左右。如角度太小，则节点板伸得太长，若角度太大，则节点钣又太宽，既笨重又不经济，且规程规定斜材与主材之间的夹角不得小于15。第11页，共26页。例如110kV以下的铁塔常
11、用单腹杆系。对主要承受轴向压力的拉线塔主柱也多采用单腹杆系。为了减小主材、腹杆的支承长度，可在节间中布置一些辅助杆件，这些杆件在计算中并不受力，但为了可靠地支承主材和腹杆，也必须要有一定的强度和刚度。双腹杆系，或称交叉斜材，常用于输电线路的自立式铁塔。适用于宽度和受力较大的塔身和塔头。腹杆可以设计成刚性的或柔性的，如图5-4-2(c)所示。K形和倒K形腹杆系(如图5-4-2f、g)所示，结构较复杂，只在塔身较宽，并尽量减小斜材的计算长度以保证足够的刚度时，方才使用。当铁塔宽度较大时常采用K形或倒K形腹杆系。例如大跨越塔的塔身常采用这种腹杆形式。在一般铁塔的腿部常采用K形腹杆系。混合腹杆系。在一
12、座铁塔中，为适应不同部位受力不同的需要，往往综合应用各种不同的腹杆形式，以达到最经济的效果。第12页，共26页。2、横隔的形式和设置 横隔一般都应是几何不变形的。如图(b)的形式不能保证塔架横截面的几何形状，一般不采用。为了把各片平面桁架组合起来成为一个几何不变形的塔架，或者为了传力的需要，常需设置横隔。横隔常有图5-4-3的各种形式。5-4-3 5-4-3 横隔的形式横隔的形式 在塔身坡度不变处，亦应设置横隔面，其间距，对窄塔取8 m左右，对宽塔取塔身平均宽度的11.25倍。横隔材的布置应组成几个三角型，以增加结构的稳定性。当铁塔承受巨大的压力时，必须增加横隔面来保证整个铁塔的稳定性。因此，
13、铁塔所有承受外荷载的断面及塔身坡度变更处均应设置横隔面。第13页，共26页。图5-4-3(a)常用于塔架横截面尺寸较小的部位，图5-4-3（c)(f)是送电线路铁塔中最常见的形式。图5-4-3(d)中的横杆可以用刚性杆件，也可以用柔性拉杆。图5-4-3(g)则用于横截面尺寸特别大的跨越高塔上。在塔架中除在传力处(如有荷载作用的截面、变截面处)都必需设置横隔面外，其余部位可根据构造设置。(二)铁塔结构的基本要求 1、一般要求 设计铁塔时，其结构布置和构造应考虑如下基本要求。(1)铁塔的设计，应满足电气绝缘空气间隙的要求，导线的排列方式、避雷线支架高度及保护角等应符合有关规定。(2)铁塔的结构型式
14、应力求简单，尽量减少构件的弯曲、铲背、切角、压扁等加工，并应力求减少材料规格，以便施工组立。(3)减少塔身坡度变化次数，以免构件弯曲降低机械强度。(4)构件应采取热镀锌或其它防腐锈措施。第14页，共26页。(5)一般铁塔的根开，对单回路铁塔可取铁塔全高的17110，对双回路铁塔或，转角铁塔可取1615，终端铁塔取1414.5。(6)全高为70 m及以下的铁塔一般装设脚钉(脚钉规格采用M16)，高于70 m的铁塔应装设梯子以便攀登铁塔。(7)铁塔横担的结构布置，应尽量考虑便于施工维修人员的作业。(8)钢构件的最小厚度(或最小直径)，应按照表5-4-1的规定确定。表表5-4-1 5-4-1 杆塔结
15、构钢构件最小厚度杆塔结构钢构件最小厚度(最小直径最小直径)mm)mm 大跨越杆塔取16mm 12 圆钢(柔性腹杆)腐蚀严重地区取4mm 3 钢管 5 4 钢板 型钢 4 3 斜材及辅助材 型钢 5 4 主材 备 注 涂料热镀锌 防腐方式构件第15页，共26页。等边角钢型号不宜小于403；拉线截面不应小于35mm2；拉线棒的直径不应小于16mm，且应根据土壤对其腐蚀情况，比计算直径增大2mm4mm。(9)在同一铁塔中，同一边宽的角钢应尽量不用两种厚度，以免混淆；同时，构件的布置，应避免积水以防腐锈；同一构件应采用同一规格的螺栓，以便于加工。(10)钢结构的构造力求简单，并使结构受力明确，各受力杆
16、件的形心线(或螺栓准线)，尽可能汇交于一点，力求减小偏心。角钢构件的螺栓准线应尽量靠近重心线，减小传力的偏心。主材接头宜采用对接，以减少偏心力矩。第16页，共26页。2、节点构造要求 节点板较大时，宜将节点板卷边(或增设加劲板)增加刚度，不宜将节点板加至太厚；传力主材在节点处尽可能做到双面传力，做不到时应采取加强措施；主、斜材尽可能使用多排(二排或三排)螺栓，斜材尽量直接与主材相连；多用较高强度(68级、88级)螺栓，减少节点连接螺栓数；为减少斜材长细比而增设的辅助材，两端的支撑位置应尽量减小偏心；塔腿采用平连杆时，平连杆不应在节点处断开；允许辅助材和次要受力材准线错开(较小距离)，便于与主材
17、直接相连；在同一受力区间内，主材和斜材接头不应设在同一水平面。第17页，共26页。组合杆件的主材，在变断面连接处，应减少偏心。节点板与组合杆件的填板厚度应一致；组合杆件的节点板，尽可能与两根主材的肢相连；组合柱的腹杆两端宜构成切坡型式，与主材的连接尽可能接近铰接；常用节点型式。见图5-4-4所示。图图5-4-4 常用节点型式常用节点型式 第18页，共26页。3、杆件与节点板的连接要求 杆件与节点板的连接焊缝，一般宜采用两面侧焊，也可用三面围焊，对角钢杆件可采用L形围焊，节点板焊在杆件上，一般采用三面围焊，所有围焊的转角处，必须连续施焊，其余的面应用薄焊缝封焊，如图5-4-5中杆件与节点板的连接
18、焊缝所示。图图5-4-5 杆件与节点板的连接焊缝杆件与节点板的连接焊缝 采用螺栓连接时螺栓布置的间距，一般需符合表5-4-2的要求。用于连接受力杆件的螺栓，其直径宜不小于12mm。主材接头螺栓每端不少于6个，斜材不少于4个，接头应靠近节点。第19页，共26页。表表5-4-2 螺栓的容许间距螺栓的容许间距 名称 位置和方向 最大容许距离(取两者的较小值)最小容许距离中心间距任意方向 外排8d或12t 2.5d中间排构件受压力12d或18f构件受拉力16d或24t 螺栓中心至构件边缘距离 顺内力方向4d或8f 1.5d 垂直内 力方向 切割边 1.45d 轧制边高强度螺栓其他螺栓1.25d 注：1
19、 d为螺栓直径，f为外层较薄板的厚度。2 高强度螺栓指8.8级及以上等级螺栓。3 本表适用于螺孔直径较螺栓直径大1.0mm1.5mm的情况。连接承受压力的单角钢的节点板，如斜材的长细比小于120，且斜材与主材在节点板不同侧，则钢板厚度宜比斜材角钢；肢厚度大一级。用外包角钢单剪连接角钢时，包角钢的宽度宜较被连接角钢肢宽大一级。第20页，共26页。4、铁塔断面要求 在铁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。塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距，一般不大于平均宽度(宽面)的5倍，也不宜大于4个主材分段。受力横隔面必须是一个几何不变形的体系，可由刚性或柔性杆件组成
20、。横隔面太大时，应采取措施，防止隔面自重引起下垂。5、塔腿主材(角钢)直接插入基础要求 插入角钢材质、规格均不低于塔腿主材。离地面最近的锚固件最小深度可取8b(b见图5-4-6)，插入角钢锚固方式列出图5-4-6几种型式供参考选用。第21页，共26页。图图5-4-6 插入角钢锚固方式插入角钢锚固方式 注：注：1 d16mm，一般选用，一般选用20mm；24mm；2 b、c型中型中b=4d；3锚固件可用焊接，也可用螺栓连接。锚固件可用焊接，也可用螺栓连接。当插入角钢未伸到基础底面时，需在插入角钢底端增加垫高措施；自立式铁塔底脚板厚度不宜小于16mm，底脚螺栓垫板厚度不宜小于12mm。第22页，共
21、26页。6、组合构件的要求 常用组合构件型式。如图5-4-7所示。图图5-4-7 常用组合构件常用组合构件 第23页，共26页。组合构件构造要求：如图5-4-8所示。图图5-4-8 组合构件结构组合构件结构 用填板连接而成的双角钢或双槽钢杆件，应按实腹式杆件进行计算，但填板间的距离L1不应超过40ri(压杆)或80ri(拉杆)。当组成如图5-4-8(a)、(b)所示的双角钢或双槽钢截面时，ri为一个角钢或一个槽钢平行于填板的形心轴的回转半径；当组成如图5-4-8(c)的十字形截面时，ri为一个角钢的最小回转半径；当组成如图5-4-8(d)的四角钢十字形截面时，ri为组合构件的ry=rx。第24
22、页，共26页。受压杆件的两个侧向支承点之间的填板数不得少于两个。四肢组合构件，宜用斜缀条形式，斜缀条与构件轴线间的夹角，应在4070范围。组合构件塔架中，各组合杆件的形心线(即重心线)尽可能汇交于一点。（三）杆塔结构使用材料的原则及要求 杆塔使用的钢材一般采用Q235、Q345，有条件时也可采用Q390，或钢材强度等级更高的结构钢，质量标准应符合GBT 700碳素结构钢、GBT 1591低合金高强度结构钢的要求。对冬季计算温度等于或低于-20，对Q235钢尚应具有-20冲击韧性的合格保证；对Q345、Q390钢尚应具有-40冲击韧性的合格保证。对钢材手工焊焊接用焊条应符合GBT 5117碳钢焊条和GBT 5118低合金钢焊条的规定。第25页，共26页。对自动焊和半自动焊应采用与主体金属强度相适应的焊丝和焊剂，应保证其熔敷金属抗拉强度不低于相应手工焊焊条的数值。不同强度的钢材相焊接时，可按强度较低的钢材选用焊接材料。焊丝应符合焊接用钢丝GB 1300规定的要求。第26页，共26页。
