高壓輸電線路鐵塔結構設計
特別說明：本文編寫較早，部分內容已更新，僅供參考。
1、杆塔型式及分類
架空輸電線路使用的鐵塔，按使用功能可分為直線塔、轉角塔、終端塔及換位、分歧等特種塔。
——直線塔是將導線提離地面的塔，又可分為自立塔和拉線塔兩種基本型式。自立塔常用的有酒杯型、貓頭型、鼓型、干字型等，拉線塔過去常用的則有拉八、拉V、拉門、拉貓型塔。
——轉角塔是付與導線以張力的塔，大部是干字型、鼓型塔。
——終端塔
——換位、分歧等特種塔。
圖 直線塔(酒杯型塔)
圖 直線塔(貓頭型塔)
圖 直線塔(鼓型塔)
圖 直線塔(干字型塔)
圖 直線塔(門型塔)
圖 直線塔(門型塔)
圖 直線塔(拉V型塔)
圖 直線塔(緊湊型塔)
圖 轉角塔
圖 終端塔
2、塔型設計的步驟
塔型設計的步驟：
——確認或選擇氣象條件，導、地線牌號；
——依據給出的塔型規劃或根據電壓等級及路徑條件規劃塔型；
——絕緣配合；
——繪製電氣間隙圓、提出負荷條件；
——根據電氣間隙圓規劃設計塔頭；
——根據塔型規劃完成整塔選型單線圖（包含各種呼稱高）；
——進行負荷組合；
——按鐵塔計算軟體要求輸入計算塔型的所有參數；
——依據塔型計算結果繪製司令圖；
——依據司令圖完成結構圖。
輸電線路鐵塔結構內力計算分析完全基於經典力學，即《理論力學》、《結構力學》、《材料力學》三門力學的基礎上來進行的。
因此，輸電線路鐵塔結構，被看成由理想的鉸接杆件組成的空間塔架結構。
3、輸電線路鐵塔結構計算常用的力學概念知識
3.1 理論力學——靜力學公理
（1）、二力平衡公理：作用在剛體上的二力使剛體平衡的充要條件是：大小相等、方向相反、作用在一條直線上。
（2）、加減平衡力系公理：在作用於剛體的已知力系中加上或減去任何平衡力系，並不改變原力系對剛體的效應。
（3）、力的平行四邊形法則：作用於物體上某一點的兩力，可以合成為一個合力，合力亦作用於該點上，合力的大小和方向可由這兩個力為鄰邊所構成的平行四邊形的對角線確定。
（4）、作用力與反作用力定律：兩物體間的相互作用力總是大小相等、方向相反，沿同一直線，分別作用在兩個物體上。
靜力學是從公元前三世紀開始發展，到公元16世紀伽利略奠定動力學基礎為止。人們在使用簡單的工具和機械的基礎上，逐漸總結出力學的概念和公理。例如，從滑輪和槓桿得出力矩的概念；從斜面得出力的平行四邊形法則等。
阿基米德是使靜力學成為一門真正科學的奠基者。在他的關於平面圖形的平衡和重心的著作中，創立了槓桿理論，並且奠定了靜力學的主要原理。阿基米德得出的槓桿平衡條件是：若槓桿兩臂的長度同其上的物體的重量成反比，則此二物體必處於平衡狀態。阿基米德是第一個使用嚴密推理來求出平行四邊形、三角形和梯形物體的重心位置的人。
著名的義大利藝術家、物理學家和工程師達·文西是文藝復興時期首先跳出中世紀煩瑣科學的人，他認為實驗和運用數學解決力學問題有巨大意義。他應用力矩法解釋了滑輪的工作原理；應用虛位移原理的概念來分析起重機構中的滑輪和槓桿系統。
對物體在斜面上的力學問題的研究，最有功績的是斯蒂文，他得出並論證了力的平行四邊形法則。靜力學一直到伐里農提出了著名的伐里農定理後才完備起來。他和潘索多邊形原理是圖解靜力學的基礎。
分析靜力學是義大利數學家、力學家J．L．拉格朗日提出來的，他在大型著作《分析力學》中，根據虛位移原理，用嚴格的分析方法敘述了整個力學理論。虛位移原理早在1717年已由伯努利指出，而應用這個原理解決力學問題的方法的進一步發展和對它的數學研究卻是拉格朗日的功績。
我國古代科學家對靜力學有著重大的貢獻．春秋戰國時期偉大的哲學家墨子（墨翟）在他的代表作《墨經》中，對槓桿、輪軸和斜面作了分析，並明確指出「衡……長重者下，短輕者上」，提出了槓桿的平衡原理。
靜力學的基本物理量有三個：力、力偶、力矩。
靜力學的基本物理量有三個：力、力偶、力矩。力的概念是靜力學的基本概念之一。經驗證明，力對已知物體的作用效果決定於：力的大小(即力的強度)；力的方向；力的作用點。通常稱它們為力的三要素。力的三要素可以用一個有向的線段即矢量表示。
凡大小相等方向相反且作用線不在一直線上的兩個力稱為力偶，它是一個自由矢量，其大小為力乘以二力作用線間的距離，即力臂。
靜力學只研究最簡單的運動狀態——平衡。
靜力學的全部內容是以幾條公理為基礎推理出來的。這些公理是人類在長期的生產實踐中積累起來的關於力的知識的總結，它反映了作用在剛體上的力的最簡單最基本的屬性，這些公理的正確性是可以通過實驗來驗證的。
靜力學的研究方法有兩種：一種是幾何的方法，稱為幾何靜力學或稱初等靜力學；另一種是分析方法，稱為分析靜力學。
幾何靜力學可以用解析法，即通過平衡條件式用代數的方法求解未知約束反作用力；也可以用圖解法，即以力的多邊形原理，用幾何作圖的方法來研究靜力學問題。
3.2 結構力學
截面法
節點法
3.3 材料力學
軸心受力構件 壓杆 軸向壓力/(穩定係數×面積) ≦ 強度設計值
拉杆 軸向拉力/凈面積≦強度設計值
3.4 塔架的計算
塔架特點：由直杆用鉸鏈聯接而成，在結點荷載作用下，各杆只有軸力。
結點法
取結點為分離體――平面匯交力系
求解方法：
（1）求解支座反力，零杆判斷；
因幾何組成的不同而不一定是必須的，零杆判定後，可以大大簡化求解。
（2）再選取只含二個未知力的結點。順次取二個未知力的結點分離體可求解每個杆的內力。
（3）結點分離體中，未知軸力設為拉力（正），結果為負時表示與所設方向相反。已知力一般按實際方向畫，標註其數值的絕對值，則平衡方程建立時看圖確定其正負。
零杆的判斷：
三角構造內的輔助性杆件都是零杆。（如圖所示）
截面法
用截面切斷擬求構件，取交叉斜材的交叉點為力矩中心，所有外力對這個中心取矩建立平衡方程中只有一對大小相同方向相反的未知力。
例： 試計算塔身如圖所示主材內力。
解：先計算支座反力。
求出反力後，從包含二桿的結點開始，逐次截取各結點求出各杆的內力。
分離體為平面匯交力系。 一般用投影二個方程可求解
靈活運用
（1）結點法、截面法可以聯合使用；
（2）零杆判斷應充分利用，可以簡化計算。
（3）利用對稱性。
4、杆塔荷載
按性質分
永久荷載：杆塔自重、導地線、金具、絕緣子自重及其它固定設備的重力。
可變荷載：風荷載、覆冰荷載、電線張力、施工及檢修的臨時荷載。
特殊荷載：斷線所引起的荷載、地震所引起的荷載。
按作用方向分可將它們分解成作用於杆塔上的
橫向荷載：風荷載、角度荷載。
縱向荷載：風荷載、張力荷載。
垂直荷載：重力荷載。
結構或構件的承載力極限狀態設計表達式：
γ。(γG·CG·GK +ψ·∑γQi·CQi·QiK ) ≤ R
式中：
γ。---- 結構重要性係數
γG ---- 永久荷載分項係數 （對結構受力有利取 1.0， 不利取 1.2 )
CG ---- 永久荷載的荷載效應係數
GK ---- 永久荷載標準值
ψ ---- 可變荷載組合係數 (正常運行情況 取 1.0，220斷線及各級電壓的安裝 取 0.9，各級電壓的驗算和110斷線 取 0.75）
γQi ---- 可變荷載分項係數 取 1.4
CQi ----可變荷載的荷載效應係數
QiK ---- 可變荷載標準值
R ---- 結構構件的抗力設計值
其中：CG 、 CQi荷載效應係數，在GBJ 9-87《建築結構荷載規範》荷載效應組合的設計值公式中注中的解釋：荷載效應係數為結構或構件中的效應（如內力、應力等）與產生該效應荷載的比值。
內力
CG·GK 即 -------- ·荷載
荷載
故：1992年全國鋼結構標委會和鋼規標準管理組主持編寫的GBJ17-88 《鋼結構設計規範》全國學習研討班系統講義,將設計表達式表述為：
永久荷載項中 CG·Gk 即 效應係數·標準值 用SGk永久荷載效應值（即內力 ）表示
可變荷載項中 CQi·Qik 即 效應係數·標準值 用SQik可變荷載效應值（即內力）表示
荷載效應值 即 結構構件的內力
即用SGk、SQik表示內力
另：設計表達式
S 荷載效應(內力)設計值的總合 ≤ R 結構構件抗力設計值
式中:
右側項 Rk/γR 表示為結構抗力標準值Rk除以抗力分項係數γR即為抗力設計值 R
GBJ17-88 《鋼結構設計規範》講義並指出：
從二階矩設計法表達式，轉化為實用設計表達式的過程中，主要的是從二階矩法等效地確定出各分項係數和組合值係數。這些係數起著相當於β值的作用。
GBJ68-84《建築結構設計統一標準》規定了各項係數的取值。
目前規定的全套分項係數是經過優化找出的最佳匹配取值，使按實用設計表達式設計的各種結構構件的實際β與規定的β在總體上誤差最小。
在荷載分項係數統一規定條件下，對鋼結構構件抗力分項係數進行分析，使所設計的鋼結構構件的實際β值與規定的β值差值最小。
經過調整，γR 統一取：3號鋼、16Mn、16Mnq 鋼，γR = 1.087
GB 50017—2003 在條文說明中改為Q235取γR = 1.087 , Q345取γR = 1.111
鋼結構設計取鋼材屈服強度作為強度極限。（GBJ17-88）規範規定，抗拉、壓、彎強度設計值分別為（fk/γR）
其中
fk：為強度設計標準值（GBJ17-88表示為fy）
γR：為抗力分項係數
如下所示
因而從以及架空送電線路杆塔結構設計技術規定（送審稿），無一例
外地都直接列出鋼材強度設計值，無須設計者再重複此項計算。
傳統上採用應力形式表達和計算，可將
進行改寫
式中右邊的抗力標準值Rk = ak·fk
這裡的 ak 為截面幾何參數標準值
fk 為材料強度標準值
則有：Rk/γR = ak·fk/γR
因為：抗拉、壓、彎強度設計值為 fk/γR = f
則： Rk/γR = ak·f
GBJ17-88 《鋼結構設計規範》講義指出，這樣就可用傳統上的應力形式表達和計算，故可寫出：
因此 DL/T5092-1999
γ。(γG·CG·GK +ψ·∑γQi·CQi·QiK ) ≤ R 表達式寫入《架空送電線路杆塔結構設計技術規定》時
由γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ R
γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ Rk/γR
可寫成表達式：γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ak·f
直觀的表達為應力形式表達式：σ=[γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik)]/ ak ≤ f
今天GB 50504-2010《110kV~750kV架空輸電線路設計規範》11.2.就直接將結構或構件的承載力極限狀態寫成:
γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ R
不再重複傳統的表達方式.
故
γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ Rk/γR
寫成表達式：
γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik) ≤ak·f
我們常用的直觀的表達：σ=[γ。(γG·SGk +ψ∑γQi·SQik)]/ ak ≤ f
5、塔型選型的必要條件
1 電壓等級
2 迴路數
3 導、地線牌號
4 導線排列方式
5 基本呼稱高及其規劃使用的塔高
6 電氣間隙圓
7 地線保護角
8 電氣負荷
其中電氣間隙圓的確定在於以下條件：
雷電過電壓（風速 10 m / s）
操作過電壓（1/2最大設計風速 ）
工頻電壓 （最大設計風速 ）
這裡有一個絕緣配合設計的基本概念問題
1 杆塔上的絕緣配合設計：就是按正常運行電壓（工頻電壓 ）、內過電壓（操作過電壓）、及外過電壓（雷電過電壓）確定絕緣子型式及片數以及在相應的風速條件下導線對杆塔的空氣間隙距離。
2 檔距中央導線及地線間的絕緣配合設計：就是按外過電壓（雷電過電壓）確定檔距中央導線及地線間的空氣間隙距離。
3 檔距中央導線對地及對各被跨越物的絕緣配合設計：就是根據內過電壓（操作過電壓）及外過電壓（雷電過電壓）的要求，確定導線對地及對各跨越物的最小允許間隙距離。
對超高壓線路，除按此項要求考慮對地最小允許間隙距離外，尚應滿足地面靜電場強影響所需對地最小允許間隙距離的要求。
4 檔距中央不同相導線間的絕緣配合設計：即按正常運行電壓（工頻電壓 ）並計及導線振蕩的情況，確定不同相導線間的最小距離。
其中1、2、4 影響著塔頭尺寸的確定，3 則控制著鐵塔標準呼稱高的選擇。
絕緣子串長度的確定：
絕緣子串風壓的計算：
W1 = W0 · µZ · As
式中：
W1 — 絕緣子串風壓
W0 — 基準風壓標準值， W0 = V2 / 1600 kN/m2
µZ — 風壓高度變化係數:
As — 絕緣子串風壓面積
單盤盤徑 254mm 每片取0.02m2
大盤徑及雙盤徑 0.03m2
金具另件 單導線縫 每串取0.03m2
兩分裂導線 每串取0.04m2
3~4分裂導線 每串取0.05m2
雙聯可取單聯的 1.5~2.0倍
導線風壓的計算：
式中：WX——垂直於導線及地線方向的水平風荷載標準值(kN)；
α——風壓不均勻係數，應根據設計基本風速，按表1的規定確定，當校驗杆塔電氣間隙時，α隨水平檔距變化取值按表2的規定確定；
βc——500kV和750kV線路導線及地線風荷載調整係數，僅用於計算作用於杆塔上的導線及地線風荷載(不含導線及地線張力弧垂計算和風偏角計算)，βc應按表1的規定確定，其他電壓級的線路βc取1.0；
μz——風壓高度變化係數；
μsc——導線或地線的體型係數，線徑小於17mm或覆冰時(不論線徑大小)應取μsc＝1．2；線徑大於或等於17mm，μsc取1.1；
d——導線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑；分裂導線取所有子導線外徑的總和(m)；
Lp——杆塔的水平檔距(m)；
B——覆冰時風荷載增大係數，5mm冰區取1.1，10mm冰區取1.2；
θ——風向與導線或地線方向之間的夾角(°)；
WO——基準風壓標準值(kN／m2)；
V——基準高度為10m的風速(m／s)。
表1 風壓不均勻係數α和導地線風荷載調整係數βc
註：對跳線計算，α宜取1．0。
表2 風壓不均勻係數α隨水平檔距變化取值
垂直荷載的計算
1) 計算風偏角時按KV值，即用 LV/ LH 之比：
平地一般取0.75
丘陵及低山取0.65~0.75
山地及大山取0.55~0.65
2) 算鐵塔結構強度則是取設計規劃的水平檔距和垂直檔距
懸垂串搖擺角的計算：
式中:
Φ ---- 風偏角
P1 ---- 串風壓 N
P ---- 相應條件下導線風荷載 N/m
LH ---- 水平檔距
G1 ---- 串自重
W1 ---- 導線自重
LV ---- 垂直檔距
杆塔風荷載的標準值，應按下式計算：
式中：WS——杆塔風荷載標準值(kN)；
μs——構件的體型係數；
AS——構件承受風壓的投影面積計算值(m2)；
βz——杆塔風荷載調整係數。 杆塔風荷載調整係數βz應符合下列規定：
1 )杆塔設計時，當杆塔全高不超過60m，杆塔風荷載調整係數βz(用於杆塔本身)應按下表的規定對全高採用一個係數；當杆塔全高超過60m，杆塔風荷載調整係數βz應按現行國家標準《建築結構荷載規範》GB 50009採用由下到上逐段增大的數值，但其加權平均值對自立式鐵塔不應小於1.6，對單柱拉線杆塔不應小於1.8。
2 ）設計基礎時，當杆塔全高不超過60m，杆塔風荷載調整係數βz應取1.0；當杆塔全高超過60m，宜採用由下到上逐段增大的數值，但其加權平均值對自立式鐵塔不應小於1.3。
表 杆塔風荷載調整係數βz(用於杆塔本身)
註：1 中間值按插入法計算。
2 對自立式鐵塔，表中數值適用於高度與根開之比為4～6。
負荷組合（工況組合）
正常情況：
(直線塔計算 90°、 0°、 60°、 45°大風、覆冰)
（轉角塔還應計算與角度力相反方向90°風吹）
（終端和轉角還要計算最低氣溫）
斷線情況（事故、張力差）
安裝情況（導線安裝、地線安裝）
張力放線條件下直線塔要考慮錨線，錨線對地角一般不大於20 °
驗算情況 （位於基本地震烈度九度以上地區的各類杆塔應進行抗震驗算，風荷載取最大設計值的30%，無冰、未斷線。）
材料
杆塔用鋼材一般採用Q235B、Q345B，需要時可採用Q420B。
杆塔結構的基本規定
1 鐵塔撓度（5m/s、年平均氣溫）
直線自立鐵塔 3h/1000
轉角及終端自立鐵塔 7h/1000
2 鋼結構構件允許最大的長細比
受壓主材 L0 /r ≤ 150
受壓材 K · L0 /r ≤ 200
輔助材 K · L0 /r ≤ 250
受拉材 L0 /r ≤ 400
式中：
K —— 構件長細比修正係數，按規定附錄D確定；
L0 —— 構件計算長度；
r —— 迴轉半徑。
6、構件計算（軸心受力）
強度
N / An ≤ m · f
式中：
N —— 軸心拉力或軸心壓力，N；
An —— 構件凈截面積，mm2，多排螺栓要考慮鋸齒形截面破壞；
m —— 構件強度折減係數；
受拉構件：雙肢連接的角鋼和中心連接鋼管構件 m = 1.0
偏心連接鋼管構件 m = 0.85
單肢連接的角鋼構件 ( 肢寬﹥40mm ) m = 0.70
雙肢連接的角鋼構件 ( 肢寬≤ 40mm ) m = 0.55
受壓構件：雙肢連接的角鋼和中心連接鋼管構件 m = 1.0
單肢連接的角鋼和偏心連接鋼管構件 m = 0.85
組合斷面構件 ( 無偏心 ) m = 1.0
組合斷面構件 ( 有偏心 ) m = 0.85
f —— 鋼材的強度設計值, N / mm2 。
穩定
N / （Φ·A） ≤ mn · f
式中：
N —— 軸心壓力，N；
Φ —— 受壓構件穩定係數，按計算長細比 Kλ= L0 /r ，查Φ表。
式中： K是λ（長細比）的修正係數（見附錄D）
A —— 構件毛截面面積，mm2；
mn —— 壓杆穩定強度折減係數；
f —— 鋼材的強度設計值, N / mm2 。
另：DL/T 5154-2002《架空送電線路杆塔結構設計技術規定》中第36頁表8.1.7-2序號8、9的圖示杆件布置形式（即平連杆）不建議使用。
7、連接計算
螺栓連接
受剪狀態
承剪承載力 N= n · （π· d2 / 4 ） · f
承壓承載力 N= d · Σt · f
式中:
N ——承載力
n ——承剪面數
Π · d2 / 4 —— 面積
f —— 強度設計值
d —— 螺杆直徑
Σt ——板厚
焊縫連接
1）對接焊縫
承載力 σ= N / Lw · t ≤ f
式中:
σ —— 應力
N —— 軸向力
Lw —— 焊縫
t—— 板厚
f —— 強度設計值
2）角焊縫
承載力 σ= N / he· Lw ≤ f
式中: he ——焊縫有效高度，對直角焊縫取 0.7h 。
8、塔腳板
式中：
M —— 力 · 力臂
W —— 截面幾何參量 ，即 bh2 / 6 。
其它有集中荷載的構件
如果是壓杆，第一項則由穩定參與分晰；
如果無軸力，第一項則取消。
9、構造要求
1）單雙角鋼過渡節點上下形心相交於一點，力求減小偏心；
2）力的傳遞應直接通達節點；
3）傳力主材應儘可能做到雙面傳力；
4）在同一區間內，主、斜材接頭不應設在同一水平面；
5）連接受力杆件的螺栓 ≥16mm ；
6）主材接頭螺栓 ≥ 6個，斜材≥ 5個
7）變坡處應設橫隔面，設置間距一般不大於5倍寬度，也不宜大於4個主材分段。受力橫隔面必須是幾何不變體系；
8）節點板≥小杆件肢厚；
9）掛點附近應加設安裝孔；
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