0 引言

高性能FRP（Fiber Reinforced Polymer，纤维增强复合材料）具有强度大、质量小、耐腐蚀以及电绝缘性能好等特点，非常适用于输电杆塔的制造^[1]。酒杯形角钢塔由于型式美观、塔重较轻，在线路工程中应用最为广泛。目前复合材料杆塔一般采用干字形，能够极大节省走廊宽度，但为满足电气要求造成塔头较高，复合材料杆塔的高度反而大于常规酒杯形角钢塔，综合经济性并不明显。酒杯形塔塔头导线水平排列能较大程度降低塔头高度及主材内力。

为进一步提升复合材料杆塔的经济性和适用性，本文结合复合材料和酒杯形塔塔头特点，提出1种新型的750 kV酒杯形复合材料直线塔，并对相关设计和应用进行分析研究，可为实际工程应用提供参考。

1 酒杯形复合材料杆塔塔头设计方案 1.1 使用条件

本文研究的某750 kV线路工程ZB2型直线塔的设计使用条件：风速30 m/s，冰厚5 mm，海拔1500 m，平丘，其他参数见表 1所示。

1.2 悬垂串长度确定

GB 50545—2010《110 kV~750 kV架空输电线路设计技术规程》规定，10 mm及以下冰区平丘地形导线悬垂塔的纵向不平衡张力按照最大使用张力的20%设计^[2]。若取消悬垂绝缘子串，分裂导线则无法通过绝缘子串偏转而使纵向不平衡张力增大，从而控制横担、塔身的构件规格，经济性较差。

根据本工程实际地形和杆塔使用条件，以档距均匀分布的连续7档为计算工况，取年平均温度为-5 ℃（悬垂串中垂、断线气象条件下）、无风、有冰，对导线纵向不平衡张力试算，结果为金具串长1.5 m即可以满足规程对纵向不平衡张力的要求。

1.3 塔头尺寸设计

参考国家电网公司企业标准，结合以往750 kV输电线路的相关研究成果及工程设计经验^[3-5]，通过计算分析，复合材料横担及复合绝缘子拉索的最小电弧距离取6300 mm、最小爬电距离取23 500 mm。综合考虑复合横担长度、空气间隙、电磁环境、导地线布置等因素，本工程复合材料横担杆塔的塔头初步设计尺寸见图 1所示。

2 酒杯形复合材料杆塔结构设计 2.1 横担结构选型 2.1.1 边相横担结构选型

在酒杯形复合材料杆塔边相横担的设计过程中，结合复合材料的特性，共设计了以下3种方案：

（1）方案A：下平面水平，无支撑，无中间金属节点；

（2）方案B：下平面倾斜，有支撑，有中间金属节点；

（3）方案C：下平面倾斜，无支撑，无中间金属节点）。

3种方案边相横担不同结构型式对比见表 2。

方案A横担下平面水平，虽然结构受力较好，但横担构件较长，塔头尺寸偏大，导致构件规格较大，计算的边相横担质量最大，不推荐此方案。

方案B下部压杆构件较短，由于有金属节点，塔头尺寸最大。虽然结构受力性能和整体刚度较好，但下部压杆的连接点构造较为复杂，构件较多，计算的边相横担质量较大，因此也不推荐此方案。

方案C结构上拉索构件能充分发挥复合材料受拉性能，下压杆由于取消了支撑、无中间金属节点，横担长度最短、塔头尺寸最小；节点端部连接较为简单、构件较少，计算的边相横担质量较小，因此推荐采用此方案。

2.1.2 中相横担结构选型

在酒杯形复合材料杆塔中相横担的设计过程中，结合复合材料的特性，设计了以下3种方案：

（1）方案a：上平面采用桁架支撑，下平面水平；

（2）方案b：上平面采用桁架支撑，下平面倾斜；

（3）方案c：上平面采用拉杆，下平面倾斜。

中相横担不同结构型式对比见表 3。

方案a上平面杆件采用框架结构进行支撑，刚度较好、塔头高度较小；下平面采用水平构件，塔头较宽，结构复杂、节点较多且繁杂，施工困难。通过计算，横担质量最大，不推荐此方案。

方案b上平面杆件采用框架结构进行支撑，刚度较好；下平面连接酒杯k节点，塔头宽度较小，需将中相悬垂串加长500 mm，边相横担比中相低1000 mm，该处理虽不会增加铁塔呼高，但该方案结构复杂、节点偏多且繁杂，施工困难；通过计算，横担质量偏大，因此也不推荐此方案。

方案c上平面杆件采用3根拉索连接，充分发挥了复合材料的受拉性能；上平面取消了支撑，节点较少、便于施工（需要对结构进行刚度复核）；下平面的处理方式借鉴了方案b的优点，塔头比方案a小；通过计算，横担质量较小，综合考虑推荐采用该方案。

2.1.3 塔头结构

综合上述边相横担和中相横担结构型式的分析对比结果，酒杯形复合材料杆塔的优选塔头结构如图 2所示。

2.2 构件截面型式选择及节点连接方式 2.2.1 截面选型

考虑复合材料截面刚度以及与节点连接的便利性，横担结构上平面的拉杆采用圆形截面的复合绝缘子，横担结构下平面的压杆采用环形截面的支柱绝缘子。

2.2.2 节点设计

复合材料构件之间的连接方式推荐套管式节点，该连接方式传力可靠、连接方便，在工程中有广泛的应用，套管式节点如图 3所示。

借鉴以往角钢塔节点的设计经验，复合材料横担与角钢塔身的连接可采用C形（或十字形）连接^[4]，如图 4所示。

2.3 结构有限元分析

酒杯形复合材料杆塔有限元模型见图 5，复合材料各构件类型部位示意图如图 6所示。采用有限元分析软件对杆塔结构进行分析，得到各工况下复合材料横担杆件的轴力，各类型杆件的受拉及受压的控制荷载和对应控制工况见表 4。

需要注意的是，当铁塔结构采用单挂点时，除了需要对复合材料杆件进行轴压计算外，还需要对“挂点材2”进行压弯构件验算复核^[6]。杆塔结构相应工况下的轴力图如图 7、图 8所示。

与钢材相比，复合材料的弹性模量较小，所以有必要对复合材料横担的位移进行计算。通过分析发现中相横担位移较小，变形主要集中在边相横担，详细计算结果如表 5所示。

从计算结果可以看到，最大位移由锚边相导线工况控制，其z向位移为452.7 mm，仅为塔计算高度的1.01%；而长期效应组合工况下，横担最大位移为115.4 mm，为计算高度的0.256%，符合规范^[7]要求（小于计算高度的0.3%），能够满足工程应用要求。

3 经济性分析

综合考虑材料费、运输费、安装费等因素，对复合材料横担杆塔的经济性进行测算^[8]。传统酒杯形角钢塔悬垂串长度为8.5 m，由于采用复合材料横担可将悬垂串长度缩短为1.5 m，在对地距离相同的情况下，酒杯形复合材料杆塔的呼高比传统角钢塔降低7 m。以本文研究的ZB2型塔为例，将36 m呼高复合材料杆塔与43 m呼高传统酒杯形角钢塔经济性进行比较，2个塔的结构布置及尺寸如图 9所示，经济性测算结果如表 6所示。

角钢塔的走廊宽度为49 m，而酒杯形复合材料横担杆塔的走廊宽度为43 m，走廊宽度减小了6 m。从表 6可见，与呼高为43 m的传统角钢塔相比，呼高为36 m的酒杯形复合材料直线塔本体造价可降低16.71%，另外走廊宽度可减少12.24%。

4 结语

本文依托某750 kV线路ZB2型直线塔提出的新型酒杯形复合横担杆塔的塔头型式，杆塔受力和变形均能满足规范和工程应用要求。与常规角钢塔相比，酒杯形复合材料杆塔本体的造价更低、走廊宽度更小，具有良好的经济效益和社会效益。