李江 李东津
国核电力规划设计研究院重庆有限公司 重庆 401120
摘要：随着社会的不断发展，社会用电需求量的提升，供电企业逐渐提高了对高压架空输电线路的重视程度、建设力度，已成为电力系统的主要输电方式。但在高压架空输电线路运行过程中，受到钢管杆结构设计层面所存在问题的干扰、影响，大幅提升了电力工程的工程造价成本，其严重性可见一斑。为完善这一问题，本文对当前我国高压架空输电线路钢管杆结构设计层面存在的问题加以分析，并提出结构优化设计要点建议。
关键词：高压架空输电线路；钢管杆结构；优化设计；分析
使用钢管杆的架空输电线路主要由架空导线、架空地线、绝缘子串、接地装置与钢管杆共同构成。在当前使用钢管杆的架空输电线路架设环节中，钢管杆是由杆身、导地线横担组成。其中钢管杆杆身由钢板弯折焊接成的多边型圆筒式构件组成，导地线横担由钢板焊接组成。钢管杆是承受导线、地线与自身荷载的稳固性结构装置。虽然相较于传统的输电铁塔而言具有结构强度高、使用寿命长、杆塔占地面积小、基坑施工面积小等应用优势，但也存在着一定的设计问题与不足。因此本文针对架空输电线路钢管杆结构优化设计方向开展以下分析。
一、钢管杆结构特征分析
（一）钢管杆的荷载、截面特征
首先，钢管杆具有结构简洁、受风压小、传力清晰、截面抗弯强度系数高等应用优势与性能特征，既可以降低钢管杆自身结构的重力作用力，又大幅提高了高压架空输电线路在极端自然环境下（如多风气候）下的稳定性与抵御能力，这也是钢管杆荷载性特征的主要表现形式。
其次，钢管杆构件截面中心区域具有对称属性，钢管杆构件材料均匀分布在截面中心两侧区域中，这也使得钢管杆结构具有较强的抗弯刚度、充分发挥了钢制材料的力学性能。例如在高压架空线路架设中被广泛应用的多边形钢管杆，便具有鲜明的截面特性，自身结构稳定性能较强。
（二）钢管杆的构造连接性特征
首先，钢管杆杆身的主要结构连接方式为法兰连接、插入式连接。钢管杆导地线横担与杆身的主要结构连接方式为法兰连接、螺栓连接。钢管杆的杆身连接、导地线横担与杆身的连接，不但具有极强的结构稳定性，还可以在高压架空输电线路钢管杆组立环节中开展现场钢管杆结构连接作业，具有较强的构造连接便捷性。
其次，钢管杆结构的连接也可以在法兰连接的基础上，选择分段热侵镀锌处理，进一步提高钢管杆结构的防腐性能。
（三）生产、加工便捷性特征
钢管杆的生产、加工作业流程为：在钢管杆加工生产厂家车间，根据钢管杆结构设计图，加工生产导地线横担，再以分段形式加工生产一般分段长在12m内的杆身，然后将导地线横担、各段杆身进行热镀锌处理。最后在高压架空输电线路施工现场将不同分段杆身以法兰连接或插入式连接方式进行组立钢管杆，大幅提高了工程施工效率，具有加工便捷性特征。
二、钢管杆结构优化设计途径与要点分析
（一）对钢管杆截面结构的优化设计
首先值得注意的是，钢管杆的结构主要分为两类，一类是圆柱形主杆结构的钢管杆，另一类则是多边形主杆结构的钢管杆，如常用的六边形、八边形、十二边形、十六变形钢管杆等。相较而言，多边形主杆结构的钢管杆具有结构紧凑、匀称、稳定性强等诸多应用优势。但值得注意的是，边形数越多的钢管杆结构，其加工难度与受力系数便会出现相应提升。加工难度系数过高也是当前我国高压架空输电线路钢管杆结构设计层面中主要存在问题之一。
因此在钢管杆结构设计层面上，需要注重以下两点优化设计要点：第一，需要根据钢管杆结构的承载符合力实际需求，针对性设计钢管杆结构主干的边形数。如需要设计、配置大荷载钢管杆时，则需要设计高边形的钢管杆。而在需要配置低荷载的钢管杆时，则需要优先选择设计六边形钢管杆或是圆形钢管杆。
在满足结构性能设计要求的基础上尽可量降低钢管杆的加工难度系数；第二，在棱锥形钢结构的棱数超过一定数值后，其与圆锥形钢管杆在抗弯刚度层面上的性能差距会出现大幅缩小。
（二）根据高压架空输电线路沿线气候对钢管杆开展结构设计
首先，不同高压架空输电线路的重现期间隔时间长短均有所不同。
例如在大跨越线路架设背景下，高压架空输电线路的重现期时间长度普遍在三十年左右，而超高压架空输电线路的重现期时间长度普遍在五十年左右。此外，在不同气候环境情况下，线路重现期时间长度也会出现相应变化。
其次，需要根据高压架空输电线路沿线气候环境，针对性设定适当、合理的钢管杆结构重要性系数，避免出现过大取用等设计问题。
（三）对钢管杆结构挠度系数的优化设计
首先，挠度的定义为，在受力抑或是出现非均匀温度变化时，钢管杆轴线在垂直于轴线方向的线位移抑或是板壳中面垂直与中面方向的位移量。钢结构挠度的变化与结构荷载、截面尺寸等有关联。
而在钢管杆结构设计层面中，在钢管杆结构稳定性、荷载性与结构强度系数满足设计要求时，钢管杆的挠度系数较高，从而导致对钢管杆造型美观流畅性的降低。而若在将钢管杆结构挠度系数控制在合理区间范围内时，也会造成钢管杆结构强度与材料性能的浪费。
针对上述问题，本文提出以下两方面优化设计要点与问题解决建议：第一，在钢管杆结构安装作业环节中，将钢管杆的杆身加以适当预先偏离。但却有一定可能造成钢管杆结构的变形。因此需要将预弯数值控制在钢管杆合理挠度系数范围内；第二，在钢管杆加工安装作业环节中，将钢管杆的杆身加以预先弯曲。这虽然可以实现对钢管杆挠度系数的合理控制，但其结构加工作业难度系数较高。
（四）对钢管杆杆坡的优化设计
首先需要明确的是，钢管杆杆身所承受荷载力系数越高，杆坡度数越高，二者之间呈正比关系，较高的杆坡度才能使得钢管杆承受更高的荷载力。但与此同时，受挠度因素干扰、影响，在钢管杆杆坡度数过高时也会导致钢管杆杆身直径的过大，不但提高了钢管干的加工难度、造价成本，还会相应降低钢管杆整体结构的造型美观性，这也是当前高压架空输电线路钢管杆设计层面上主要面临的难点问题之一。
针对这一问题，本文提出以下优化设计建议：首先明确钢管杆的额定荷载系数，随后在所划定数值范围内分析多种设计方案中钢管杆杆身直径、杆坡度数与最大荷载承受上限数值之间的数值比较，从中对多种设计方案加以适当结合，在保障钢管杆承受足量荷载力、具有较高刚度与结构强度的基础上，设计出最为合理的杆坡度数。
（五）对钢管杆分段长度的优化设计
上述提及，在钢管杆设计、加工阶段中，需要将钢管杆杆身分为诸多节段，并以法兰连接或插入式方式加以连接，受加工难度、技术高度等因素影响，需要注重将钢管杆杆身分段长度控制在一定数值区间范围内。此外不同钢管杆分段长度也会影响到杆身的应力比。
例如以直线钢管杆为例，分段长度在9m时，各段杆身的应力比在60%上下，而杆身分段长度控制在7m-8m时，应力比则提升至80%-85%区间范围内。
三、总结
为进一步提升钢管杆在高压架空输电线路架设与运行过程中的应用价值、自身结构合理性，因此本文首先对钢管杆的结构设计特征开展深入分析，随后从截面结构、环境气候、挠度、杆坡、分段长度、结构造型六个方向阐述钢管杆结构优化主要途径、具体设计要点。
参考文献：
[1]徐芸.大跨越高压输电线路高耸塔高强钢钢管节点研究[D].武汉：武汉大学，2015.
[2]卢山.钢管杆参数分析及其设计[J].山西建筑，2014.
[3]陈明亮.浅谈架空输电线路路杆塔结构设计[J].民营科技，2015.