架空输电线路铁塔的分类与特点，你了解多少？

特别说明：本文撰写较早，部分内容有更新，仅供参考。

1. 塔类型及分类

架空输电线路用铁塔按其功能可分为直塔、转角塔、终端塔以及换位塔、分歧塔等特殊塔。

——直线塔是将导线抬离地面的塔，可分为自立塔和拉线塔两种基本类型。自立塔常用的有酒杯形、猫头形、鼓形、干形等形状，而拉线塔过去常用的有八字形、V字形、门形、猫头形等形状。

——角塔是对导线施加张力的塔，多数为干式塔或鼓式塔。

——航站楼

——转位、分流等特殊塔。

▲图直塔（酒杯塔）

▲图直塔（猫头塔）

▲图直塔（鼓塔）

▲图直线塔（干式塔）

▲图直塔（门楼）

▲图直塔（门楼）

▲图 直塔（V型塔）

▲图直塔（紧凑塔）

▲图角塔

▲图片航站楼

2. 塔设计步骤

塔设计步骤：

——确认或选择气象条件、导线及接地线品牌；

——按给定的塔型规划或根据电压等级、路径条件进行塔型规划；

— 绝缘配合；

——画出电气间隙圆并提出负载条件；

——根据电气间隙圆规划进行塔头设计；

——根据塔型规划完成整塔选型单线图（含各类呼高）；

——进行荷载组合；

——按塔计算软件的要求输入塔型的各项参数；

——根据塔型计算结果绘制指挥图；

——根据指令图，完成结构图。

输电线路杆塔结构内力计算分析完全基于经典力学，即“理论力学”、“结构力学”和“材料力学”。

因此，输电线路杆塔结构被视为由理想铰接杆组成的空间塔结构。

3.输电线路杆塔结构计算中常用的力学概念

3.1 理论力学-静力学公理

（1）二力平衡公理：两个力作用在刚体上，使刚体平衡的必要充分条件是：它们大小相等，方向相反，作用在一条直线上。

（2）加减平衡力系公理：在作用于刚体的一个已知力系上加上或减去任何一个平衡力系，都不会改变原力系对刚体的作用。

（3）平行四边形力的定律：两个力作用在物体上一点上，可以合成一个合力，这个合力也作用在该点上。合力的大小和方向，可由两力作邻边所构成的平行四边形的对角线决定。

（4）作用与反作用定律：两个物体之间相互作用的力总是大小相等、方向相反，并且沿同一条直线作用于两个物体上。

静力学在公元前三世纪开始发展，直到公元十六世纪伽利略奠定了动力学的基础，人们在简单的工具和机械的基础上逐渐总结出力学的概念和公理，例如从滑轮和杠杆中推导出扭矩的概念，从斜面中推导出平行四边形力的定律等等。

阿基米德是静力学的真正创始人。他在关于平面图形的平衡和重心的研究中，创立了杠杆理论，奠定了静力学的主要原理。阿基米德推导出的杠杆平衡条件是，如果杠杆两臂的长度与杠杆上物体的重量成反比，则两物体必定处于平衡状态。阿基米德是第一个用严密的推理找出平行四边形、三角形和梯形物体重心位置的人。

意大利著名艺术家、物理学家、工程师列奥纳多·达·芬奇是文艺复兴时期第一个摆脱中世纪繁琐科学的人。他认为实验和用数学来解决机械问题具有重要意义。他用矩量法解释了滑轮的工作原理；用虚位移原理的概念分析了起重机构中的滑轮和杠杆系统。

研究斜面上物体的力学问题最重要的人物是史蒂文斯，他推导并证明了平行四边形力的定律。直到瓦里尼翁提出著名的瓦里尼翁定理，静力学才算完整。他和潘索的多边形原理是图解静力学的基础。

解析静力学是由意大利数学家、力学家JL拉格朗日提出的，他在巨著《解析力学》中，用严密的解析方法，描述了以虚位移原理为基础的整个力学理论。虚位移原理早在1717年就由伯努利指出，但进一步发展应用此原理解决力学问题的方法及其数学研究，却是拉格朗日的功绩。

中国古代科学家对静力学做出了巨大贡献，春秋战国时期的大哲学家墨子在他的巨著《墨经》中，对杠杆、轴、斜面进行了分析，明确指出“长而重者在下，短而轻者在上”，提出了杠杆的平衡原理。

静力学中有三个基本物理量：力、力偶、力矩。

静力学中有三个基本物理量：力、力偶、力矩。力的概念是静力学中的基本概念之一。经验表明，力作用于已知物体上的作用力由：力的大小（即力的强弱）；力的方向；力的作用点决定。它们通常被称为力的三要素。力的三要素可以用有向线段即矢量来表示。

两个大小相等、方向相反、作用线不在一条直线上的力称为力偶。力偶是一个自由矢量，其大小等于力乘以两个力的作用线之间的距离，即杠杆臂。

静力学只研究最简单的运动状态——平衡。

静力学的全部内容都是基于几个公理推导出来的，这些公理是人类在长期生产实践中积累的关于力的知识的总结，反映了力作用于刚体的最简单、最基本的性质，这些公理的正确性可以通过实验来验证。

研究静力学的方法有两种：一是几何方法，称几何静力学或初等静力学；二是解析方法，称解析静力学。

几何静力学可以用解析的方法研究，即用代数方法通过平衡条件求解未知的约束反力；也可以用图解的方法研究，即利用力的多边形原理和几何作图方法来研究静力学问题。

3.2 结构力学

截面法

节点法

3.3 材料力学

受力构件压杆轴压力/（稳定系数×面积）≦强度设计值

拉杆轴向拉力/净面积≦强度设计值

3.4 塔的计算

塔的特点：由多根直杆通过铰接而成，在节点荷载作用下，每根杆件只承受轴向力。

节点法

将节点视为独立体 - 平面收敛力系统

解决方案：

（1）求解支座反力，确定零杆；

由于几何组成不同，不一定需要零杆，只要确定了零杆，求解就可以大大简化。

（2）选取仅包含两个未知力的节点，将包含两个未知力的节点依次分开，即可求解各杆的内力。

（3）在节点分离体中，未知轴力设为拉力（正值），结果为负值，表示方向与设定方向相反。已知力通常按实际方向画出，并标出其值的绝对值，在建立平衡方程后，通过看图即可确定其正值或负值。

零极点判断：

三角结构中的辅助杆均为零杆。（如图）

截面法

将拟建构件用横截面剖开，以交叉对角线材料的交点为矩中心，将所有外力绕此中心矩取值，建立只有一对大小相等、方向相反的未知力的平衡方程。

例：试计算如图所示的塔身主要材料的内力。

解决方案：首先计算支撑反应。

求出反作用力后，从包含两根杆的节点出发，逐一截取每个节点，求出每根杆的内力。

分离体为平面收敛力系，一般可用投影法求解这两个方程

灵活使用

(1)节点法与截面法可以联合使用；

（2）应充分利用零线判断，简化计算。

（3）利用对称性。

4. 塔负载

自然地

永久荷载：杆塔、地线、金具、绝缘子等固定设备的重量。

可变载荷：风载荷、冰载荷、线张力、施工和维护的临时载荷。

特殊荷载：线路断线引起的荷载、地震引起的荷载。

根据作用方向，它们可以分解为

横向载荷：风载荷、角载荷。

纵向载荷：风载荷、拉伸载荷。

垂直载荷：重力载荷。

结构或构件的承载力极限状态设计表达式：

γ. (γG·CG·GK +ψ·∑γQi·CQi·QiK ) ≤ R

在哪里：

γ.----结构重要性系数

γG ——永久荷载分项系数（有利于结构受力取1.0，不利于结构受力取1.2）

CG ---- 永久荷载的荷载效应系数

GK----永久荷载标准值

ψ ---- 可变荷载组合系数（正常运行时取1.0，220线路断线及各电压等级安装时取0.9，各电压等级检定及110线路断线时取0.75）

γQi ---- 可变载荷分项系数为1.4

CQi ---- 可变荷载的荷载效应系数

QiK ---- 可变荷载标准值

R----结构构件抗力设计值

其中：CG、CQi为荷载效应系数。GBJ 9-87《建筑结构荷载规范》中荷载效应组合设计值公式注1中的解释为：荷载效应系数是结构或构件中作用的效应（如内力、应力等）与产生该效应的荷载之比。

内力

CG·GK 表示--------·加载

加载

因此：1992年，全国钢结构标准化委员会、钢结构标准管理组主持编写了GBJ17-88《钢结构设计规范》全国学习研讨会制度讲义，将设计表达形式表述为：

永久荷载项中，CG·Gk，即效应系数·标准值，用SGk，即永久荷载效应值（即内力）表示。

在可变荷载项中，以CQi·Qik即效应系数·标准值表示，用SQik即可变荷载效应值（即内力）表示。

荷载效应值是结构构件的内力

即用SGk、SQik来表示内力。

二、设计表达

S荷载效应（内力）设计值之和≤R结构构件抗力设计值

在哪里：

右侧项 Rk/γR 表示结构抗力标准值 Rk 除以抗力分项系数 γR，即抗力设计值 R

GBJ17-88《钢结构设计规范》注中也指出：

在将二阶矩设计法表达式转化为实用设计表达式的过程中，主要是由二阶矩法等效地确定分项系数和组合值系数，这些系数起着相当于β值的作用。

GBJ68-84《建筑结构设计统一标准》规定了各种系数的数值。

目前规定的全套分项系数是通过优化找到的最佳匹配值，使得按照实际设计表达式设计的各类结构构件的实际β与规定的β整体达到最小。

在荷载分项系数统一的条件下，对钢结构构件的抗力分项系数进行分析，以最小化设计钢结构构件实际β值与规定β值之间的差异。

调整后γR统一取为：3号钢、16Mn、16Mnq钢，γR=1.087

GB 50017—2003 条款解释中Q235的γR值改为1.087，Q345的γR值改为1.111

钢结构设计以钢材屈服强度作为强度极限。（GBJ17-88）规定抗拉、抗压、弯曲强度的设计值分别为（fk/γR）。

在

fk：强度设计标准值（GBJ17-88表示为fy）

γR：阻力分系数

如下

因此，从《架空输电线路杆塔结构设计技术规程（送审稿）》来看，尚无实例

其他地方都直接列出钢材强度的设计值，所以设计人员无需再重复进行此计算。

传统上，压力被用来表达和计算

改写

公式右边的标准电阻值为Rk = ak·fk

式中ak为截面几何参数标准值

fk为材料强度标准值

则：Rk/γR=ak·fk/γR

因为：抗拉、抗压、抗弯强度设计值为fk/γR=f

然后：Rk/γR = ak·f

GBJ17-88《钢结构设计规范》注中指出，这可以采用传统的应力形式来表达和计算，因此可写为：

因此，DL/T5092-1999

γ.(γG·CG·GK+ψ·∑γQi·CQi·QiK)≤R当表达式写入《架空输电线路杆塔结构设计技术规程》时

由γ. (γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ R

γ. (γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ Rk/γR

可表示为：γ.(γG·SGk+ψ∑γQi·SQik)≤ak·f

直观的表达是应力形式表达式：σ=[γ. (γG·SGk +ψ∑γQi·SQik)]/ak ≤f

而今，GB 50504-2010《110kV~750kV架空输电线路设计规范》11.2中直接将结构或构件的承载力极限状态写为：

γ. (γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ R

不再重复传统表达。

所以

γ. (γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ Rk/γR

写成表达式：

γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik)≤ak·f

我们经常使用直观的表达式：σ=[γ. (γG·SGk +ψ∑γQi·SQik)]/ak ≤ f

5.塔型选择必要条件

1 电压等级

2 电路数量

3. 导体及地线品牌

4 线布置

5 基本呼叫高度和规划塔高

6 电气间隙圆

7 地面保护角

8 电气负载

电气间隙圆的确定取决于以下条件：

雷电过电压（风速10米/秒）

运行过电压（1/2最大设计风速）

工频电压（最大设计风速）

这是关于绝缘协调设计的一个基本概念问题

1杆塔上的绝缘配合设计：即根据正常运行电压（工频电压）、内部过电压（操作过电压）、外部过电压（雷电过电压）确定绝缘子的类型、数量以及相应风速条件下导线与杆塔之间的空气间隙距离。

2档距中心导体与地线间的绝缘配合设计：即根据外界过电压（雷电过电压）确定档距中心导体与地线间的空气间隙距离。

3.档区中心导体对地及对各跨越物体的绝缘配合设计：即根据内部过电压（操作过电压）和外部过电压（雷电过电压）的要求，确定导体对地和对各跨越物体之间的最小允许间隙距离。

对于超高压线路，除按本要求考虑对地最小允许电气间隙距离外，还应满足考虑地面静电场强影响所需的对地最小允许电气间隙距离。

4、档距中心处不同相导线间的绝缘配合设计：即根据正常工作电压（工频电压）并考虑到导线的振荡而确定不同相导线间的最小距离。

其中1、2、4影响塔头尺寸的确定，3控制标准塔高的选择。

绝缘子串长度的确定：

绝缘子串风压计算：

W1 = W0 · µZ · As

在哪里：

W1 — 绝缘子串上的风压

W0——参考风压标准值，W0=V2/1600kN/m2

µZ — 风压高度变异系数：

As——绝缘子串风压面积

单片直径254mm 每片占地0.02m2

大盘直径和双盘直径0.03m2

金具件每单根导体接缝取0.03m2

两根分裂导线，每串占地0.04m2

3~4个分裂导线，每串占地0.05m2

双接头可取单接头的1.5~2.0倍

导线风压计算：

式中：WX——垂直于导线、地线的水平风荷载标准值（kN）；

α——风压不均匀系数，应根据设计基准风速和表1的规定确定。在校核杆塔电气间隙时，α值随水平跨度而变化，按表2的规定确定；

βc——500kV、750kV线路导线及地线风荷载调整系数，仅用于计算作用于杆塔的导线及地线风荷载（不包括导线及地线张力垂度计算和风偏角计算），βc应按表1的规定确定，其他电压等级βc取1.0；

μz——风压高度变异系数；

μsc——导线或地线的体系数。当导线直径小于17mm或覆冰时（不论导线直径多少），μsc=1.2；当导线直径大于或等于17mm时，μsc取1.1；

d——导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；对于分裂导线，为各分导线外径之和（m）；

Lp——塔水平跨度（m）；

B——覆冰时风荷载增加系数，冰面积为 5 毫米时取 1.1，冰面积为 10 毫米时取 1.2；

θ——风向与导线或地线方向的夹角（°）；

WO——参考风压标准值（kN/m2）；

V——参考高度10m处风速（米/秒）。

表1 风压不均匀系数α及地线风荷载调整系数βc

注：对于跳线计算，α 应为 1.0。

表2 风压不均匀系数α值随水平跨度变化

垂直荷载计算

1）计算风偏角时，采用KV值，即LV/LH的比值：

对于平地，一般采用0.75。

丘陵、低山取0.65~0.75

山区、大丘陵采用0.55~0.65

2）计算塔的结构强度时，取设计平面的水平跨度和垂直跨度。

悬索摆角计算：

在哪里：

Φ----风向角

P1----弦气压N

P ----相应条件下导线所受风载荷N/m

LH----水平跨度

G1 ---- 弦重

W1----导体重量

LV----垂直距离

塔风荷载标准值应按下式计算：

式中：WS——塔风荷载标准值（kN）；

μs——构件形状系数；

AS——承受风压的构件投影面积计算值（m2）；

βz——塔风荷载调整系数。塔风荷载调整系数βz应符合下列规定：

1)设计塔时，当塔总高度不超过60m时，塔风荷载调整系数βz(对塔本身而言)应按下表规定采用总高度的系数；当塔总高度超过60m时，塔风荷载调整系数βz应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定，从下向上采用递增的值，但其加权平均值，对自立式铁塔不应小于1.6，对单柱拉线塔不应小于1.8。

2)基础设计时，当塔总高度不超过60m时，塔风荷载调整系数βz宜取1.0；当塔总高度超过60m时，宜采用从下向上逐渐增大的数值，但对自立式塔，其加权平均值不宜小于1.3。

表 塔风荷载调整系数βz（针对塔本身）

注：1 中间值采用插值法计算。

2 对于自立式塔，表中数值适用于高度与根部间距之比为4～6的情况。

载荷组合（工况组合）

正常情况：

（直塔计算90°、0°、60°、45°强风、冰盖）

（角塔还应计算90°角力反方向的风）

（还必须计算端子和角落的最低温度）

断线（事故、张力差异）

安装状态（导体安装、地线安装）

在张拉敷设条件下，直塔应考虑锚索，锚索与地面的夹角一般不大于20°

校核情况（位于基本地震烈度9度以上地区的各类杆塔均需进行抗震校核，风荷载取最大设计值的30%，无覆冰、无断线。）

材料

杆塔所用钢材一般为Q235B、Q345B，必要时可采用Q420B。

塔结构基本规定

1 塔挠度（5m/s，年平均气温）

直自立塔3h/1000

转角及终端自立塔 7h/1000

2 钢结构构件最大允许长细比

主压缩材料L0/r≤150

压缩材料K·L0/r≤200

辅助材料K·L0/r≤250

抗拉材料L0/r≤400

在哪里：

K ——构件长细比修正系数，按附录 D 确定；

L0 ——构件计算长度；

r ——回转半径。

6. 构件计算（轴向力）

力量

N / 安≤m·f

在哪里：

N ——轴向拉力或轴向压力，N；

An ——构件净截面积，mm2。对于多排螺栓，应考虑锯齿状截面损坏；

m —— 构件强度折减系数；

受拉构件：双腿连接用角钢及中心连接钢管构件m=1.0

偏心连接钢管构件m=0.85

单肢连接角钢构件（肢宽>40mm）m=0.70

双肢连接角钢构件（肢宽≤40mm）m=0.55

受压构件：双肢连接采用角钢，中心连接采用钢管构件m=1.0

单腿连接角钢及偏心钢管构件m=0.85

组合截面构件（无偏心）m = 1.0

组合截面构件（偏心）m=0.85

f——钢材的设计强度值，N/mm2。

稳定

N / (φ·A)≤mn·f

在哪里：

N —— 轴向压力，N；

Φ ——受压构件的稳定系数，按长细比Kλ= L0 /r 计算，见Φ表。

其中：K为λ（长细比）的修正系数（见附录D）

A —— 构件毛横截面积，mm2；

mn ——压杆稳定强度折减系数；

f——钢材的设计强度值，N/mm2。

另外：DL/T 5154-2002《架空输电线路杆塔结构设计技术规范》第36页表8.1.7-2第8、9号所示的杆件排列形式（即扁连接杆）不建议采用。

7. 连通性计算

螺栓固定

剪切状态

剪切承载力 N = n · (π· d2 / 4) · f

抗压承载力N=d·Σt·f

在哪里：

N——承载力

n——剪切面数

Π · d2 / 4 — 面积

f——强度设计值

d——螺杆直径

Σt——板材厚度

焊接连接

1）对接焊缝

承载力σ=N/Lw·t≤f

在哪里：

σ——应力

N——轴向力

Lw——焊接

t——板材厚度

f——强度设计值

2）角焊缝

承载力σ=N/he·Lw≤f

式中：he ——焊缝有效高度，对于直角焊缝取0.7h。

8. 塔基

在哪里：

M——力·杠杆

W —— 截面几何参数，即bh2/6。

其他承受集中载荷的部件

如果是压缩杆，第一项按稳定性参与来分；

如果没有轴向力，则第一个项取消。

9.施工要求

1）单、双角钢过渡节点的上、下质心相交于一点，力求减少偏心；

2）力的传递应直接到达节点；

3）主要传力材料应尽可能具有向两侧传力的功能；

4) 同一截面内，主料缝、斜料缝不宜位于同一水平面上；

5）连接承重构件的螺栓≥16mm；

6）主材连接螺栓≥6个，对角线材≥5个

7) 坡度变化处应设置横隔板，间距一般不大于5倍宽度，且不宜大于4个主材段。承重横隔板必须为几何不变体系；

8)节点板≥小杆肢厚度；

9)吊点附近应设置附加安装孔；