鋼管桿在架空電力線路中的應用與優化

鋼管桿以其占地小、基礎不影響其他管線的敷設、附件設計靈活多樣、塔材不易被盜等優點，廣泛應用于城區、市郊、開發區輸電線路工程中。近年來，農網改造工程持續穩步推進，電力線路新建改造工程日益增多；同時，城市建設步伐加快、城市用電量迅速增長、市政建設道路修擴以及地塊開發等諸多因素，架空電力線路增設、改建、遷移要求也越來越多。因城市線路通道有限，多回路架設應用越來越多，在這種條件下，城市鋼管桿在城市電力線路中優勢越發明顯，另外，隨著Q390、Q420甚至更高強度的鋼材應用，鋼管桿可以設計得更加緊湊、美觀。但正是由于鋼管桿這些特點，鋼管桿的鋼材用量比較大，其材料費用在整個線路工程中所占的比例也遠比自立式鐵塔高。綜合考慮制造工藝、施工方法（包括運輸安裝）以及運行維護和環境因素，本文結合以往工程設計經驗，提出鋼管桿設計優化經驗和方法，以達到減輕重量、節約鋼材并降低工程造價的目的。

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鋼管桿的截面及分段

通過分析比較鋼管桿截面特性，環形截面具有較好的受力特性，其次是十六邊形，再次是十二邊形……邊數越多受力越優、材料相對耗用小，但加工難度增大。

由于鋼管桿壁厚逐漸變化，需要分若干段，一基桿塔中間法蘭不宜超過4個。但又受到運輸和模壓、熱鍍鋅的工藝限制，每段桿段長度宜確定在10m左右，當壁厚較大時（>22mm），還應根據加工廠的設備能力適當減少段長，否則將無法壓制。

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鋼管桿力學性能相關計算

由《架空送電線路鋼管桿設計技術規定》相關條文知道，鋼管桿力學模型為一個懸臂梁，由水平力FH引起的擾度；由彎矩M引起的擾度；式中；L1為力或彎矩作用點高度；c、和φ分別為與截面形狀有關的常數；E為鋼材彈性模量，近似為常數。

法蘭螺栓的拉力可按公式計算，其中：M為法蘭所受彎矩；N為法蘭所受的軸向作用力，壓力時取用負值；Yi―螺栓中心到旋轉軸的距離；Y1―受力螺栓中心到旋轉軸的距離。

地腳螺栓分布圓直徑應滿足公式，其中：DG為鋼管桿根徑，mm；d為螺栓直徑，mm。

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鋼管桿的根徑、梢徑及錐度

從鋼管桿相關特性計算公式上可以知道，鋼管桿的撓度與截面慣性矩IB成反比，對其擾度控制起決定性作用的是根徑的數值，鋼管桿根徑DG對撓度的貢獻遠遠大于壁厚t。在其他外形參數不變的情況下，擴大梢徑或根徑尺寸，均可使鋼管桿的整體剛度顯著。鋼管桿的錐度大小由桿的荷載大小決定荷載越大，彎矩包絡圖斜率就越大，從而需要越大的錐度以保證受力合理。但由于撓度控制的要求，梢徑不能過小，故錐度過大又勢必導致根徑過大，一方面浪費材料，同時嚴重影響美觀。

通常，直線桿的梢徑取250～400mm，錐度取1/75左右；0～20°轉角桿取300～500mm，錐度取1/65左右；20～40°轉角桿取400～600mm，錐度取1/55左右；40～60°轉角桿取500～700mm，錐度取45左右；60～90°轉角桿取600～800mm，錐度取1/35左右。

當桿塔荷載不同時，綜合占地、美觀、材料量、撓度等因素，桿塔的梢徑和錐度應該根據荷載大小進行優化。

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優化計算方法

分析鋼管桿荷載情況可以知道，鋼管桿承受的彎矩主要來自三方面：導地線風荷載、導地線張力和桿身風荷載；其中由導地線引起的彎矩為占較大比例。

在鋼管桿設計時，先利用常用的梢徑、錐度值，計算出桿塔的根徑。根據桿塔使用條件，設計出鋼管桿的單線圖，計算出鋼管桿根部彎矩及軸向作用力以及力的作用高度。根據鋼管桿的荷載情況，可以計算出鋼管桿根部螺栓規格及分布圓。由于地腳螺栓規格一般是M24、M30、M36等，計算時可以通過調整地腳螺栓數量及分布圓情況，使地腳螺栓為使地腳螺栓充分利用。根據計算得到的地腳螺栓分布圓可以反推得到鋼管桿根部直徑，然后根據鋼管桿局部穩定計算及桿塔擾度限值，調整鋼管桿的梢徑、錐度、壁厚、分段長度等參數，使鋼管桿的板材得到充分利用。

鋼管桿根據根徑調整相關外形參數后，會導致桿塔的荷載情況有所變化，這個變化主要為桿塔風荷載和重力荷載的變化，相對較小，因此計算地腳螺栓時留2%～3%的余量即可。

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計算舉例

以國網公司典型設計（2011版）1GGE4-SJ4型鋼管桿為例，計算導地線在鋼管桿根部引起的彎矩值為9645kN?m，水平力為328kN，合力作用點高度為29.4m，按擾度控制在10‰左右，可以初步估算出根部直徑為1700mm，壁厚為14mm，地腳螺栓規格為36M64（綜合應力比80％），根據估算直徑，優化計算鋼管桿對比結果。

通過優化計算可以知道，初步估算出鋼管桿根徑和壁厚后，通過調整梢徑、分段長度，可以使鋼管桿材質的綜合應力比更加合理、均衡，從而達到降低重量的目的。

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結束語

根據鋼管桿上導地線的荷載情況，優先確定鋼管桿的根部尺寸及地腳螺栓規格，進一步優化鋼管桿根部桿段，自下而上的計算鋼管桿桿身，從而可以使鋼管桿優化計算工作量大大減少，也可以使鋼管桿的錐度、壁厚和分段長度設置更加合理，使每一段鋼管桿的板材可以更地使用。

對于輸電線路的鋼管桿，特別是轉角鋼管桿，其設計選材結果往往是撓度控制而非強度控制。現在已經有多種鋼管桿計算軟件，可以通過計算確定一個較合理的鋼管桿根部尺寸，然后在軟件建立相關模型，利用軟件計算功能調整桿身截面尺寸、直徑、壁厚和錐度等，直到滿足規程相關規定為止。從而減少手工計算的工作量，同時也利于鋼管桿計算優化，材料的利用率，設計出更輕的鋼管桿。