1、1跨越高铁输电铁塔加固补强技术的研究摘要：为保证高速铁路运营的安全可靠，提高跨越高铁输电线路的可靠度指标势在必行。相比全部更换铁塔，对原有铁塔进行加固补强，是既经济又合理的处理方法。通过对铁塔加固方法的分析，不同杆件部位、不同材料形式采用不同的补强措施，在一定程度上可以有效提高铁塔的承载能力，从而达到提高输电线路可靠度指标的目的。在此基础上提出的加固优化方案，为同类塔型的加固补强提供参考。 Abstract： In order to ensure the safe operation of high-speed railway， it is imperative to improve the
2、reliability of the transmission line across the high-speed railway. Compared to replace all of the original tower， the reinforcement and strengthening method is economical and reasonable. Through the analysis of the tower reinforcement method， that different member positions and different material f
3、orms use different reinforcing measures， can effectively improve the bearing capacity of the tower to a certain extent， so as to improve the transmission reliability index. On the basis， propose optimization scheme for reinforcement to provide references for the reinforcement of similar tower type.
4、关键词：跨越高铁；铁塔；加固；承载力 2Key words： across the high-speed railway；iron tower；reinforcement；bearing capacity 中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）34-0103-03 0 引言 随着高铁建设日新月异的快速发展，通车里程的不断增加，已有或新建输电线路跨越高铁干线已成为工程中经常遇到的问题。为实现全面预防、安全运检、快速恢复的联动机制，确保高铁运营的安全可靠，提高跨越高铁输电线路目标可靠度指标，形成新型跨越方案势在必行。铁塔作为支承架空输电线路导地线的关键设备，
5、其可靠性直接关系到整个输电线路的安全及高铁的平稳运营。目前，普通输电线路铁塔的结构重要性系数为 1.0，提高跨越高铁输电线路目标可靠度指标至 3.7（安全等级为一级）后，铁塔的结构重要性系数取 1.1。 跨越高铁输电铁塔结构重要性系数提高以后，原有构件可能不能满足承载力要求，从而导致杆塔结构的破坏。破坏后的铁塔大致可以分为以下三类：一是杆塔未发生结构性损伤，可承受设计工况下的荷载；二是杆塔发生了结构性损伤或局部破坏，如部分构件发生了过大变形或失稳破坏，或横担、地线支架和塔头等发生了局部破坏，但修复加强后仍可继续使用；三是杆塔整体倒塌，完全丧失了承载能力，不可修复，只能拆除重建。显而易见，对有损
6、伤和倒塌的铁塔必须进行恢复处理，同时为了整体提高输电线路抵御自然灾害的能力，对跨越高铁输电线路无损伤铁塔进行适当的增强在某种意义上也是非常有必要的。 3目前，建筑钢结构中加强技术的研究比较多，主要原因在于很多建筑钢结构出现了结构性损伤或使用功能发生改变，经检查、验算结构的强度（包括连接） 、刚度或稳定性等不满足设计要求，需要进行加强改造。但是，由于输电塔结构形式和构造的独特性和复杂性，很难借鉴一般钢结构的加强方法，因此灾后输电塔特别是角钢塔的加强一直是工程中的难点，不少学者开展了相关的研究。针对输电杆塔的特点，中国电力科学研究院1、同济大学2等研究人员，借鉴建筑钢结构成熟的加强技术，给出了几种
7、输电杆塔加强与改造的技术，主要有增大截面技术、增加辅构件技术、构件更换技术、体外预应力技术和节点恢复技术等。 1 跨越方案及铁塔设计条件 1.1 跨越方案 输电线路跨越高速铁路应采用独立耐张段，本文设计的耐张段采用“耐-直-直-耐”的跨越方式，见图 1。 1.2 铁塔设计条件 输电线路跨越段各塔型分别从通用设计数据库中选取，其中直线塔SZK 呼高为 69m，总高为 99.9m。导线呈垂直排列，型号为 4LGJ-630/45，地线型号为 JLB20A-150。设计风速为 29m/s，导、地线设计覆冰分别为 10mm、15mm；水平档距为 480m，代表档距 300500m；最大垂直档距为 750
8、m，最小垂直档距为 460m。 2 加固方法 SZK 塔结构重要性系数由 1.0 提高至 1.1，荷载增大 10%，很多杆件强度不能满足要求。对于需要补强的铁塔，当结构受力不足时，往往会4包括主材和斜材，此时应当针对不同杆件部位、不同材料形式采用不同的补强措施，例如：主材可以通过并联构件来增强，斜材和辅助材通过更换来增强，适当增加一些数量的辅助材。 2.1 增大截面技术 采用增大截面技术，即在角钢塔原构件的侧面通过连接板及螺栓并联一根新的同规格角钢3，形成一个新的组合截面构件，其截面形式主要有十字型、Z 字型、T 字型和 C 字型等，见图 2。中国电力科学研究院对采用该方法不同截面形式加固构件
9、的承载力进行了研究，给出了加固后构件的破坏形态、受力性能及设计计算方法，认为增大截面技术能大幅提高构件的承载能力，其中 T 字型、十字型和 Z 字型三种截面构件的加固折减系数 k 可分别取 0.95、0.9 和 0.84。 杆塔结构重要性系数提高后，采用设计软件对 SZK 塔的进行重新校核计算，其中横担主材承载能力不能满足要求，需增大规格。为了减小施工对高铁运行的影响，此时可采用增大横担主材截面积的方法对铁塔进行加强，T 字型布置，如图 3 所示。横担加固前后主材的受力情况见表1。 由表 1 可知，横担主材截面增大后，内力变化很小，但应力减小了很多。加固前表中横担主材应力均超过杆件的强度设计值
10、，其中杆件 70-80 应力比增加约 10%；而加固后各杆件的计算应力降幅很大，应力比基本在 50%左右。考虑 T 字型截面构件的加固折减系数 k=0.95 后，仍远远小于杆件的强度设计值。由此可见，该塔横担主材采用增大截面方案加强后承载力明显提高。 52.2 构件更换技术 一般情况下，角钢塔构件之间是通过普通螺栓连接，容易拆卸和安装，所以当某些构件受力不满足时可以现场更换为更高规格或更高强度的构件，这种方法具有可操作性并非常有效，在实际工程中得到了广泛的应用。铁塔主材之间通过节点板连接，由螺栓锚固，类似于刚接；斜材和辅助材是通过螺栓与其它构件单肢连接，类似于铰接。可见，当更换既有结构上的构件
11、时，主材最难更换，其次是斜材，辅助材最容易更换，且更换主材对结构安全的危险性影响最大，其次是斜材，辅助材的影响最小。此外，更换构件前需要对构件更换过程中结构的力学性能做全过程跟踪模拟，预分析和评估恢复过程中结构的安全性，若存在危险性时须加设临时措施，保证恢复过程安全可靠。 仍以 SZK 塔为例，当其结构重要性系数由 1.0 提高至 1.1 时，图 4所示个别构件无法满足承载力要求，可直接更换，表 2 列出了构件更换前后的受力变化情况。 结果表明，部分斜材更换后，内力基本不变，但应力减小了很多。铁塔加固前表中斜材应力均超过杆件的强度设计值，加固后计算应力降幅很大，应力比都降至 1.00 以下。可
12、见，更换斜材可有效改善铁塔结构的承载能力。 2.3 其他加固技术 体外预应力技术6：在铁塔本体外加设预应力拉索往往可以有效的改变外荷载在结构上的传递路径，进而改善结构薄弱环节的受力性能，能够有力提高结构的承载力、刚度和稳定性能。该方法即可加强塔身，6亦可加强横担。施工简捷，用料节省，经济高效，且不影响运营生产，可减少间接经济损失。 节点恢复技术7-8：铁塔加固补强，对节点进行改造和加强比较困难，其受力很难保证。针对角钢铁塔，可以在原有节点外围增加环状的节点板来使新、旧构件连接在一起。为使节点区域的连接更加可靠，可以将新增节点板与原主材用螺栓连接。同时，在新增的节点板薄弱部位上增加加劲肋，以增强
13、节点的受力性能并消除偏心引起的内力重分配带来的影响。 3 加固的难点 恢复铁塔的承载能力是对既有结构的一种处理，并且希望尽量减小对原结构进行拆换和损伤性操作，以便减小对铁路系统正常运行工作的影响，所采用的方法要具有可实施性，总体上讲跨越高铁输电线路杆塔结构加固的难点主要有： 荷载类型多。输电线路铁塔除了要考虑风、重力等的作用外，还要考虑断线、覆冰、检修等的作用，并且荷载的组合工况繁多。因此，有些加强方法只能提高结构在某种荷载工况下的受力性能，而不能全面提高结构的承载能力。 整体加强难。与建筑钢结构相比，输电线路铁塔结构的形式比较独特。在设计荷载作用下，铁塔受力非常明确，通过改变既有结构的传力路
14、径或增加构件来提高其受力性能比较困难。 构件加强难。铁塔中的构件比较多，如主材正侧面均有其他构件相连，因此，在原结构上增加新的构件比较困难，新构件与原构件连接7的处理也不好实现。 节点加强难。铁塔节点构造比较复杂，尤其是横担和塔身连接处和塔身变坡处等，所连构件很多，且空间方向各不相同，加强效果难以得到保证。 可操作性差。结构和构件的加强是在原结构上进行处理，往往是通过增加构件的方式来实现，需尽量避免对原结构进行破坏性操作，这就使得加强的实施和操作比较困难；同时，铁路部门规定在高速铁路运行期间不允许有任何跨越物从铁路上方通过，输电线路张力放线施工只能利用夜间高速铁路停运的窗口时间进行，施工难度极
15、大。 4 结论 跨越高铁输电线路的目标可靠度比普通线路高，因此铁塔的结构重要性系数也需提高。对于需要加强的铁塔，当结构受力不足时，往往会包括主材和斜材，此时主材可以通过并联构件来增强，斜材和辅助材通过更换来增强，适当增加一些数量的辅助材。 在实际工程中，采用各种加强方法恢复铁塔的承载能力是有一定的局限的。首先，破坏后的铁塔无论怎样加强，其承载能力不可能无限制提高；其次，各种加强方案都是通过增减构件完成的，受到铁塔结构布置的约束。因此，当铁塔用于跨越高铁输电线路时，经校核，如果需要调整的杆件不多，可对其进行局部加强以满足工程要求；如果铁塔的大部分杆件受力均超过其承载能力，则更好的处理方式是根据工
16、程条件重新设计铁塔。 参考文献： 81韩军科，杨靖波，杨风利，等.输电铁塔加固补强承载力研究J.工业建筑，2010，40（7）：118-131. 2谢强，孙力，张勇.500kV 输电塔结构抗冰加固改造方法试验研究J.中国电机工程学报，2011，31（16）：108-114. 3马昌祥.220kV67 型猫头铁塔带电加固补强方法J.河北电力技术，1994，6：28-31. 4刘学武，夏开全，高燕，刘思远，任西春.构件并联法加固输电塔的试验研究及设计建议J.西安建筑科技大学学报（自然科学版） ，2011，43（6）：838-844. 5中华人民共和国国家经济贸易委员会，DL/T5154-2002 架空送电线路杆塔结构设计技术规定S.北京：中国电力出版社，2002. 6王进平.贴身拉线在在役输电铁塔加固中的应用J.电力建设，2010，31（12）：84-86. 7方强.500kV 输电线路铁塔节点补强角钢的制作J.安徽电力，1997，3：20-23. 8黄志庆.输电工程塔头、K 节点、瓶口与身部加固的分析及应用J.广东科技，2011，16：200-201.
