高压架空输电线路钢管杆结构优化设计探讨

高压架空输电线路钢管杆结构优化设计探讨

刘强

佛山电力设计院有限公司  广东佛山 528200

摘要：随着我国电力行业的蓬勃发展，高压架空输电线路的建设日益凸显其重要性。钢管杆作为高压架空输电线路的核心结构，其优化设计对于提升线路的安全性、可靠性和经济性具有举足轻重的作用。本文针对高压架空输电线路钢管杆结构展开优化设计探讨，倡导一种更为合理、高效的设计思路，旨在为我国电力事业贡献力量。

关键词：高压架空输电线路；钢管杆结构；优化设计

高压架空输电线路是我国电力系统的核心支柱，肩负着电力传输与分配的重任。钢管杆的设计合理性至关重要，它直接关系到整个输电线路的安全稳定和经济效益。然而，传统钢管杆设计方法存在局限性，如过于保守、缺乏针对性和优化性。因此，对高压架空输电线路钢管杆结构进行优化设计，不仅具有深远理论意义，而且具有实践价值。

一、高压输电线路钢管杆结构的特点分析

高压输电线路钢管杆结构是指利用钢管作为主要构件，通过合理的连接和固定方式，将其架设在输电线路上起到承载和支撑作用的设施。它可分为单杆和双杆两种类型。

高压输电线路钢管杆结构的第一个特点是其高强度和耐久性。鉴于高压输电线路需长期承受复杂气候条件的侵蚀，杆塔结构必须具备卓越的抗风压性能和耐候性。钢管杆选用高强度钢材打造，既能承受巨大荷载，又具备卓越的抗拉性能；同时，经过严格防腐处理的钢管杆，确保在恶劣环境下依然拥有出色的使用寿命和稳定性，为我国高压输电事业保驾护航。

其次，高压输电线路钢管杆结构的设计可靠性较高。在经过严谨的力学计算和精细的结构优化后，钢管杆在承受外部荷载和自身重力的同时保证了结构的稳定性和安全性。钢管杆的连接方式通常采用套接或法兰螺栓连接，这些连接方式具备优良的刚性和可靠性，能有效抵抗外部力的影响，杜绝杆塔倾覆等事故的发生。

第三，高压输电线路钢管杆结构具有良好的可维护性和可操作性。钢管杆的设计简洁，组装与拆卸均相当便捷，便于日常检修与维护。此外，钢管杆的防腐方案通常包括喷涂或热浸镀锌等工艺，这些方法既能确保优良的防腐成效，又能保持杆塔的美观度，降低未来的维护开支。

除此之外，高压输电线路钢管杆结构在重复利用、共享铁塔等方面亦具备诸多优势。有些临时塔（杆）短期运行后会拆除，钢管杆由于结构简洁，优于普通角钢结构塔材，其拆后完整性强，可以重复使用概率较高，目前南方电网公司有序开展塔材利旧工作，逐步推广钢管杆重复利用，故设计临时塔时可以优先设计钢管杆结构。另外现阶段电网公司与移动运营商配合实现行业内资源共享，推广共享铁塔（杆），实现“一塔（杆）多用”能够极大节约土地资源，避免重复建设、重复投资。

二、高压架空输电线路钢管杆结构参数的优化

（一）钢管材料优化设计

在钢管结构设计中，材料的选择对于整个结构的性能和可靠性至关重要。钢管材料的优化设计旨在提高结构的承载能力、延长使用寿命并降低成本。下面将详细讨论钢管材料的优化设计涉及的几个方面。

钢管材料的优化设计需要考虑结构的强度与刚度。在选择材料时，需要综合考虑材料的屈服强度、抗拉强度、弹性模量等参数，以满足结构在受力和变形方面的要求。同时，还需要考虑钢管的截面形状和尺寸，以增加结构的刚度和稳定性。保证钢管材料的强度参数，是为了保证钢管结构不会出现弯曲或变形的情况，提高高压电线路稳定性和可靠性[1]。

此外，在一些有腐蚀介质存在的场合，钢管材料的耐腐蚀性非常重要。优化设计需要选择具有良好耐蚀性的材料，并进行防腐蚀处理，以延长结构的使用寿命。

优化设计需要考虑钢管材料的可焊性，以确保焊接接头的质量与强度。合适的材料选择和焊接工艺能够保证钢管连接处的可靠性，并减少焊接过程中的变形和缺陷。

在现代社会中，环保和可持续发展已成为重要的主题。钢管材料的优化设计应该考虑其使用量，采用高强度材料可以降低资源消耗和环境污染，可以实现对可持续发展目标的贡献。

（二）钢管杆梢径

在钢管结构设计中，为了确保结构的稳定性和抗震性能，需要平衡结构的强度和刚度。钢管的梢径决定了钢管杆的承载能力和刚度，因此在参数设计的过程中需要考虑到这些因素。通过适当调整梢径，可以使结构既具备足够的强度，又有适当的挠度，从而实现设计要求的力学性能。

钢管杆在承受载荷时会发生挠度，为了确保结构的安全和稳定，控制杆顶挠度是非常重要的。钢管杆的梢径对杆顶挠度的控制起到决定性作用。较大的梢径可以增加钢管杆的刚度，从而降低挠度；而较小的梢径则会导致杆的柔度增加，挠度增大。因此，在参数设计中需要选择适当的梢径，以控制杆顶挠度在允许范围内[2]。

钢管结构设计中还需要考虑杆的稳定性和抗屈曲能力。梢径的选择直接影响到钢管杆的稳定性，较大的梢径可以提高钢管杆的稳定性，抵抗外部侧向力的作用；而较小的梢径则会降低稳定性，容易造成杆的屈曲和变形。因此，在参数设计中，需要根据具体情况选择合适的梢径，以确保钢管杆具备足够的稳定性和抗屈曲能力。

（三）横担形式

优化高压架空输电线路钢管杆结构参数时，需要重点考虑横担形式。目前常采用变形截面型式的横担，通过从顶部到根部的变形截面设计，既能节省材料，更好地利用电气间隙，还能提升杆型整体美观。然而，在传统的横担荷载作用下，根部容易集中应力，导致局部承受较大压力。此外，横担在承受压力时，杆身上部的管壁较薄，容易产生形变。但仅仅增加壁厚既不能节约材料，也不经济。因此，在优化设计时可以考虑在杆身和横担的连接部位处做局部抗压处理，以增强稳定性。例如可以考虑在杆身上焊接靴梁支座。这样的设计既能满足强度要求，又能保证造型美观和材料节约的目标。

（四）杆身分段长度

为了优化高压架空输电线路钢管杆结构参数，还需要对钢管杆的杆身分段长度进行优化。由于钢材的壁厚是逐渐变化的，因此需要将杆身分段分为若干段。同时，这些杆身分段还受到模压、运输和热镀锌工艺的影响。为了确保杆身分段的质量，每段的长度应控制在大约10米左右。如果壁厚较大，应根据加工厂的生产设备能力合理地缩减长度，以确保杆身分段可以顺利加工成型。通过合理科学地确定段长，可以使得每段杆段的应力差距最小化。

（五）加强基础设计

为确保高压架空输电线路的正常运行，必须对钢管杆加强基础设计。如果基础不稳固，钢管杆很可能会出现歪斜等问题，进而影响线路的稳定性。因此，在工程设计过程中，要进行地质调查，并根据调查结果进行现场的优化设计，选择符合要求的基础形式，科学布置承台以及设计防护防撞方案。只有保证钢管杆基础的设计合理，才能确保其安装稳固，延长其使用寿命，保障高压架空输电线路的稳定运行[3]。

三、钢管杆结构设计影响条件的优化控制

（一）按气候环境的优化设计

必须进行气候数据的分析和研究，了解设计区域的气候特征、重要气象参数和历史数据。这些数据包括气温、湿度、降水、风速和风向等方面的统计信息。通过对气候数据的分析，可以了解环境对钢管杆结构的影响，并为优化设计提供依据。

钢管杆结构在风力作用下，极易遭受风荷载的影响。因此，在优化设计过程中，应对设计区域的风速、风向进行精细分析，依据相应规范和标准，确定风荷载的计算方法。此外，还需考量风荷载的时变特性，以及结构几何形状和表面粗糙度等因素对风荷载产生的影响。

温度的变化也会对钢管杆结构的性能产生影响。在优化设计过程中，需要考虑设计区域的温度变化范围，以及钢管杆结构的热膨胀和收缩性能。这涉及到材料的热力学性质、温度应力以及结构的温度变形等方面的计算和分析。

湿度对钢管杆结构的腐蚀和耐久性能具有重要影响。在优化设计过程中，需要考虑设计区域的湿度变化范围，以及钢管杆结构的防腐措施、材料的腐蚀性能等。通过合理的设计和材料选择，可以降低结构受湿度影响而引起的损毁。

（二）区分杆塔的类型

耐张杆通常用于转角和线路分歧处，起到抵抗线路张力的作用。在设计耐张杆时，需要考虑以下几个关键因素。首先是线路的张力要求，确定耐张杆所需的最大承载能力，以确保其能够有效地抵抗线路的张力。其次是杆塔的高度和形状，这将直接影响杆塔的稳定性和整体结构的可靠性。此外，地形和土壤条件也是设计时需要考虑的因素，不同的地形和土壤可能需要采取不同的设计措施以增强杆塔的稳定性。

直线杆主要用于直线段或较小的转角处，其主要作用是承载线路的重量和提供线路的导向。在设计直线杆时，也需要考虑相似的因素。直线杆需要具备足够的承载能力来支撑线路的重量。同时，直线杆的高度和形状对于线路的导向起到关键作用。

为了确保线路的稳定性和可靠性，可以通过合理区分耐张杆和直线杆，避免使直线杆承受导地线的拉力。此外，合理规划杆塔的转角度数，尽量避免实际使用角度小于设计角度，从而有效减轻杆塔承受的荷载，提高杆塔结构的稳定性和可靠性[4]。

（三）优化高压架空输电线路路径的选择

在优化高压架空输电线路的路径选择时，务必全面权衡多个因素，确保线路在建设过程及运行阶段实现效益最大化。首先，尊重并充分考量环境因素，杜绝在生态敏感区域或生态环境遭受严重破坏的地区建设输电线路。在确定路径时，力求降低对自然生态的干扰，避免破坏生态系统的和谐共生。

其次，务必全面审视线路建设的经济性与可行性。科学合理地选择线路路径，既能降低建设成本，又能减轻对环境的影响。对于远程输电线路，甄选经济最优路径，有助于降低建设和运维成本，同时减少土地资源的占用。此外，线路走向应尽量避开人口稠密区域和关键的生产设施，确保人民群众的生活安宁和财产安全。

此外，在甄选路径时，务必赋予社会因素以恰当的关注。尊重地域特色的社会文化与民意，与当地居民展开深入的沟通与协商。通过广泛征求民意、悉心聆听关于线路路径的建言献策，能更好地洞悉他们的所想所需，从而规避无关争议与纠纷的产生。

要想优化高压架空输电线路的路径选择，就必须充分兼顾各项技术因素。在挑选路径的过程中，运用现代科技手段，如遥感、地理信息系统等，对地形、地貌和环境进行深入的调研与分析。如此一来，便可掌握线路建设的技术要点，确保输电线路的稳定性和可靠性。针对地质条件复杂或自然灾害频发的地区，务必加强勘察与风险评估工作，为保证线路安全运行奠定坚实基础。

结束语：

总之，高压架空输电线路钢管杆结构优化设计是一项系统工程，需要在安全、经济、环保和技术创新等多方面进行综合考虑和权衡。只有通过不断探索和实践，才能为我国电力事业的发展提供有力支持，为经济社会的可持续发展贡献力量。

参考文献：

[1] 孔祥盼,游华武. 浅析高压输电线路钢管杆结构的优化设计[J]. 科技资讯,2018,16(32):50,52.

[2] 陶冶. 高压输电线路钢管杆结构的优化设计[J]. 科技创新导报,2016(15):49-50.

[3] 游华武,常龙. 空间受限地区高压架空输电线路钢管杆基础优化设计[J]. 河南科技,2021,40(22):63-65.

[4] 侯伟. 高压架空输电线路钢管杆结构优化设计研究[J]. 科技传播,2016,8(5):184-185.