输电线路铁塔塔型选择与结构设计优化

从前面介绍的桁架结构特点可知，输电塔结构优化分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化和布局优化四个层次。比较而言，尺寸优化难度最低，主要是杆件截面尺寸这个变量；形状优化需要同时处理截面和形状两个变量；拓扑优化需要处理截面和拓扑关系（节点间连接方式）两个变量；布局优化需要处理截面、形状和拓扑三个变量，难度最高。实际上，优化难度与优化效果往往是成反比的，根据文献[5]研究，若原始模型造价为100，截面优化、拓扑优化、形状优化、布局优化的造价分别为83、80、79、76。
1.2输电铁塔选型
铁塔塔型选择需考虑电压等级、导线型号及排列方式、档距、回路数、工作环境、线路敷设路径及走廊宽度等多种因素。上字型、鸟骨型、桥型等塔型导线间距较小，适于电压等级较低的直线塔或耐张塔；猫头型、酒杯型、干字形等塔型导线间距较大，适于电压等级较高的直线塔或承力塔。上字型、鸟骨型、桥型、猫头型、干字型、羊角型等塔型的导线一般采用三角形排列方式，而门型、酒杯型等塔型的导线采用水平排列方式，门型、鼓型、蝴蝶型等塔型用于双回路导线。对于覆冰厚度较高的地区及多雷地区，为避免发生线间闪络事故，一般采用双地线和水平排列方式，防雷效果好，但比三角形排列方式占用更大的线路走廊宽度。自立塔比拉线塔占用空间小，对线路走廊宽度要求较严时应采用自立塔。窄基塔（塔宽高比1/14～1/12）适于档距较小的输电线路，宽基塔（塔宽高比1/6～1/4）适于档距较大的输电线路。另外，单回路耐张塔可选择干字型铁塔或酒杯型铁塔，单回路转角塔、终端塔可选择羊角型铁塔或门型铁塔，双回路直线塔可选择鼓型铁塔、蝴蝶型铁塔，双回路承力塔可选择伞型铁塔或鼓型铁塔，大跨越塔常选择蝴蝶型铁塔。
2.2输电塔结构设计优化方法
输电塔结构设计优化的目的是寻求一种安全、经济、适用的结构。安全是保证输电塔结构在各种荷载（重力、导地线牵拉力、风荷载、覆冰荷载等）作用下稳定，不发生倾覆、倒塌等事故。经济要求输电塔结构紧凑，走廊宽度小，占地少，同时用料最省，施工便宜，维护简单，综合费用低。适用的结构能满足输电塔对电气性能、力学性能、维护使用性能的要求，即好用。但输电塔结构优化不光影响因素多，而且这些因素间往往存在“牵一动百”效应，当然最主要的问题是输电塔结构优化中的变量大部分属于离散变量。离散变量具有变量不连续性、函数不可微性（不存在函数微分）特点，不能直接采用解析法求解，要解决离散变量的优化问题必须考虑组合优化问题，设有n个变量，每个变量有m个离散值，那么可能存在的最大组合数是mn，当m和n不断增大时，mn就会急剧增大，以至于无法求解，此类问题被称为NP（Nondeterministic Polynomially）问题。目前，离散变量结构优化主要采用精确算法、近视算法和启发式算法[6]。精确算法如枚举法、割平面法、分支定界法、动态规划法等，这种方法只能解决中小规模，对大规模模型很难求解。近视算法可以求得近视最优解，能实现大规模模型求解，但确定误差界很困难，适用范围较窄。启发式算法也是一种求解近视最优解的方法，例如遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群算法、人工神经网络等，目前解决复杂离散变量结构优化大多采用这种方法，例如采用蚁群算法对形状、拓扑和布局进行优化。
2.3输电塔结构设计优化案例
由于拓扑优化、形状优化、布局优化目前主要在研究领域探索，本文选择相对成熟的截面优化案例进行分析。
铁塔为电压等级220kV双回路直线塔，型号为2F2-SZ1，塔全高49.3m，根开7.99m，其中呼高33m。塔材主要是等边角钢及由等边角钢构成的双角钢，材料为Q235、Q345，其弹性模量=2.1×105MPa。全塔由657根杆件组成空间桁架结构，节点数为226。角钢型号从L40×40×3到L250×250×35。设计导线为LGJ-630/45，地线选用JLB20A-150。风速取35m/s。考虑45组荷载工况，共150个荷载加载点。
输电铁塔是支撑输电线路的重要结构。合理设计铁塔不但有利于保障输电线路与地面的安全距离，且因其投资达到输电线路建设费用的1/3强，会对输电线路建设产生显著影响[1]。塔型选择与铁塔结构设计优化是输电铁塔设计中的主要环节，因为铁塔工作环境一般比较复杂，合理选择塔型和优化结构设计一方面可以满足铁塔自身稳定性要求，另一方面对满足人们用电需求有正面推动作用[2]。因此，本文对输电线路铁塔塔型选择与结构设计优化进行了探讨。
1输电线路铁塔塔型选择分析
1.1输电铁塔的塔型
输电铁塔是通过螺栓连接或焊接形式将型钢连成空间桁架的塔架结构。铁塔塔型按支撑方式分为拉线式铁塔和自立式铁塔，拉线可以保证拉线式铁塔稳定，但也会增加占地，自立式铁塔能保持自身稳定，通常比拉线式铁塔占地少。铁塔分为塔头、塔身、塔脚等部分，塔头形状及与塔身的不同组合方式构成上字形、门型、猫头型、酒杯型、鸟骨型、桥型、鼓型、伞型、蝴蝶型、羊角型、干字型等多种塔型。按照在输电线路中的位置及作用方式，铁塔分为直线塔、转角塔、耐张塔、终端塔、跨越塔等[3,4]。直线塔处于输电线路的中间直线段，塔架前后导地线拉力平衡。转角塔位于输电线路转弯处，塔架前后导地线拉力不平衡，会承受一定的水平力。耐张塔位于输电线路换位处，会承受比较大的顺线路方向的拉力。终端塔位于输电线路末端，通常会承受单侧拉力。跨越塔位于与山谷、大河、交通线交叉跨越处，档距大、荷载大，结构受力复杂，塔高可达数百米。
2输电线路铁塔结构设计优化
2.1输电塔结构设计优化概念
输电塔从结构上可视为空间桁架结构，这样的结构由大量杆件组合而成，其材料用量及结构性能与杆件尺寸、形状、拓扑、布局有关，尺寸主要与杆件截面大小有关，形状与结构中主要节点位置有关，拓扑与杆件连接节点位置有关，布局与结构中主要节点位置、杆件连接节点位置等均有关，如图1所示。
输电线路铁塔塔型选择与结构设计优化来自摘要：社会经济的发展助推了电能需求的增长，输电线路是输送电能的重要载体，而输电铁塔则是输电线路中的关键组成部分，因此本文介绍了输电铁塔常见塔型及塔型的选择，然后对输电铁塔结构设计优化概念、方法进行了讨论，最后结合案例分析了满应力法在输电铁塔结构设计优化中的应用。
关键词：输电铁塔；塔型选择；结构设计优化