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【摘 要】本文对钢管杆的优化设计进行了一些讨论。分别从受力、錐度及螺栓等方面进行分析，并提出了一些钢管杆优化设计的建议。
【关键词】优化设计；锥度；螺栓连接
0.引言
随着国民经济的快速的发展，电力事业发展过程一些问题逐步显示出来。要大力发展大力行业，而目前电力输电系统因为承载能力不能满足现代化的需要。所以输配管线更需要更新换代。由于现代化得发展需要高压电的输送，在城市的街道运用传统的铁塔很不现实；然而水泥和木杆不能承受这么大的电压。所以要加强实施钢管杆。输电钢管杆由于自身具有显著优点在各地电网改造中得到了广泛的应用，其经济效益及社会效益是相当可观的。因此，如何使单柱钢管杆工艺更加成熟，设计更加合理，造型更加完美，是钢管输电杆进一步得到广泛应用的关键。随着钢管杆在输电网络建设中越来越受到重视，采用钢管杆越来越多，对钢管杆进行受力分析、强度计算及结构优化等理论和实验研究工作也得到有力的开展 。本文就钢管杆设计中的一些优化技巧进行讨论。
1.钢管杆受力分析及特点
钢管杆的主要构件均是以受弯为主的构件例如横担、主杆，因此对于横担起主要作用的是线路的(以下的叙述坐标基准均以线路为准)纵向水平荷载和铅直荷载，因为这两方向的荷载和横担轴线方向垂直，都是使其受弯的荷载，水平横向荷载则和其轴线方向相同，不是受弯的荷载。对于主杆起主要作用的则是纵向和横向的水平荷载，纵向水平荷载不但使其受弯，还因为横担的长度会使其受扭，因为这两方向的荷载和主杆轴线方向垂直，都是使其受弯的荷载，铅直荷载则和其轴线方向相同，不是受弯的荷载，当然当垂直荷载不对称时也会产生一些弯矩，但一般影响不大。对受弯构件，要提高其承载力，就要加大其抗弯截面模量。因此加大截面外轮廓尺寸，减小壁厚是提高其承载力、减少耗材最有效的技术手段。
由于钢管杆具有构件小，结构简单，较低的风载体形系数的特点，所以其作用在杆身上的风荷载要比铁塔小很多，而且由于钢管杆具有良好的柔性，这就非常有利于其在强风作用下的安全性。
由于土地起来越紧张，城市规划的有关部门为了提高土地经济效益，大都会设计非常狭窄的输电线路走廊，甚至直接将绿化带当作高压架空线路的通道。而普通的自立式铁塔由于根开宽，占的位置多，需要较大的走廊，因此不应当在受限制的走廊内架设普通的自立式铁塔。如果把电缆线路铺设在同一路径上，则会出现投资非常大的问题，而使工程建设难于接受。而钢管杆具有能满足在走廊受限制地区架设架空路线的非常明显的优点：杆径小，占地少需要的走廊比较小，方便5 m到6 m的绿化带内架设。
2.选择合适的锥度是优化设计的关键
我们知道一个结构系统理想的优化程度，是使其所有的构件、部位均达到接近允许设计应力，(保证所有规定工况条件均满足)。但实际上因为种种原因，这样的结构系统是作不出来的。可是我们却可以在结构设计时，使尽可能多的构件或部位接近这个参数。钢管杆设计是否优化，一方面是要使最高应力的部分尽量接近但不超过目标应力，更重要的是使尽可能多的构件或部位接近这个目标。既然钢管杆的主要荷载特征是受弯，分析其弯矩分布图可知，它基本上就是一个从上至下的一条斜直线，而其斜率就是结构所受水平力的总和。对于结构设计人员来说，钢管杆也就是一个荷载的承受体。一种荷载等级的钢管就有一种弯矩的斜率，因此选择杆体、横担合理的斜率就是优化设计的关键。因为这样，我们才能使尽可能多的构件或部分接近允许应力。现在，很多设计是在计算前先确定一个锥度，然后进行试算，如果此锥度和合理的锥度相差很大，试算再多次也不能的到合理的设计。我们目前使用的设计程序就具备这个优选截面(及锥度的)功能。这种设计有一个明显的特点，就是其最大应力一般不是出现在构件的根部，尤其是构件仅为一段时，更加明显。这样，我们就使结构尽可能多的部位接近目标应力，应力相对较小的部位减少到最低程度，也就达到了既能很好的保证结构的功能和预期安全度的同时，只用了最低限度的钢材和其他耗材。
这样优化后的设计，其优势不仅使结构系统的更多部分达到或接近目标应力，在达到和满足设计(使用 )条件、保证结构安全度的同时，最大限度的节约了钢材，而且在于这种结构更加安全，因为这样的结构的承力最复杂，工艺要求最高的焊缝不在应力最大的截面处。这一点对焊接加工业来说是至关重要的。
3.连接螺栓
连接螺栓应尽量使其受剪，例如，横担与杆体连接的螺栓，因为这一原则有两个好处，第一，可以将螺纹避开剪切面，进而可以发挥螺栓最大截面处的功能；第二，这样的螺栓布置，使结构在没有外来荷载时，螺栓的受力几乎为零，只有在荷载加到结构上后，螺栓才受力。其受力大小和设计完全一致。结构安装也能较好控制。此外由于这种连接方式，其荷载的传递反应到螺栓上有一个滞后过程，这就大大降低了在外荷载出现较高频率的变化时螺栓受力变化的频率，因此对于螺栓抗疲劳破坏有其独有的优势。
连受拉螺栓尽量不要使用高强螺栓，在输电杆结构中，杆段之间的连接方式分为插接和法兰连接，法兰连接的螺栓最不利的受力状态为疲劳拉应力。按照《钢结构设计规范》 第7.2.3条中有这样的条文“高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构”，在我们了解到的信息中就有高强螺栓在输电杆还在结构安装时就发生断裂的情况，而且，连8.8级强度(仅仅接近高强)的螺栓，也常常出现热镀锌后强度达不到验收标准的情况，而这种情况是出现在用户直接点名指定使用的国内知名大型标准件生产厂家。这样的情况就给结构的安全留下了隐患。所以我们在选用螺栓时一般都采用6.8级强度的螺栓，以确保结构安全在设计计算可控制的范围内。
4.结论
钢管杆由于占地面积较少，耗材低、施工简便，因此我们在考虑输电线路的时候更需要考虑钢管杆的应用，从而需要加强输电线路钢管杆的优化设计，这样能够提高钢管杆设计水平，满足我国电力输电线路的发展要求，对于电力的发展起着重要的作用，有很大的现实意义。■
【参考文献】
［１］架空送电线路钢管杆设计技术规定(DL/T 5130—2001)[S].北京：中国电力出版社,2001．
［２］架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T 5154-2202)[S].北京：中国电力出版社,2002．
［３］钢结构设计规范(GB 50017-2003)[S].北京: 中国计划出版社,2003．
［４］田志兵．多边形插接式钢管塔的结构优化设计．硕士学位论文，保定：华北电力大学，2001．
［５］张殿生主编．电力工程高压送电线路设计手册．北京:水利电力出版社，1991：185-239．
【关键词】优化设计；锥度；螺栓连接
0.引言
随着国民经济的快速的发展，电力事业发展过程一些问题逐步显示出来。要大力发展大力行业，而目前电力输电系统因为承载能力不能满足现代化的需要。所以输配管线更需要更新换代。由于现代化得发展需要高压电的输送，在城市的街道运用传统的铁塔很不现实；然而水泥和木杆不能承受这么大的电压。所以要加强实施钢管杆。输电钢管杆由于自身具有显著优点在各地电网改造中得到了广泛的应用，其经济效益及社会效益是相当可观的。因此，如何使单柱钢管杆工艺更加成熟，设计更加合理，造型更加完美，是钢管输电杆进一步得到广泛应用的关键。随着钢管杆在输电网络建设中越来越受到重视，采用钢管杆越来越多，对钢管杆进行受力分析、强度计算及结构优化等理论和实验研究工作也得到有力的开展 。本文就钢管杆设计中的一些优化技巧进行讨论。
1.钢管杆受力分析及特点
钢管杆的主要构件均是以受弯为主的构件例如横担、主杆，因此对于横担起主要作用的是线路的(以下的叙述坐标基准均以线路为准)纵向水平荷载和铅直荷载，因为这两方向的荷载和横担轴线方向垂直，都是使其受弯的荷载，水平横向荷载则和其轴线方向相同，不是受弯的荷载。对于主杆起主要作用的则是纵向和横向的水平荷载，纵向水平荷载不但使其受弯，还因为横担的长度会使其受扭，因为这两方向的荷载和主杆轴线方向垂直，都是使其受弯的荷载，铅直荷载则和其轴线方向相同，不是受弯的荷载，当然当垂直荷载不对称时也会产生一些弯矩，但一般影响不大。对受弯构件，要提高其承载力，就要加大其抗弯截面模量。因此加大截面外轮廓尺寸，减小壁厚是提高其承载力、减少耗材最有效的技术手段。
由于钢管杆具有构件小，结构简单，较低的风载体形系数的特点，所以其作用在杆身上的风荷载要比铁塔小很多，而且由于钢管杆具有良好的柔性，这就非常有利于其在强风作用下的安全性。
由于土地起来越紧张，城市规划的有关部门为了提高土地经济效益，大都会设计非常狭窄的输电线路走廊，甚至直接将绿化带当作高压架空线路的通道。而普通的自立式铁塔由于根开宽，占的位置多，需要较大的走廊，因此不应当在受限制的走廊内架设普通的自立式铁塔。如果把电缆线路铺设在同一路径上，则会出现投资非常大的问题，而使工程建设难于接受。而钢管杆具有能满足在走廊受限制地区架设架空路线的非常明显的优点：杆径小，占地少需要的走廊比较小，方便5 m到6 m的绿化带内架设。
2.选择合适的锥度是优化设计的关键
我们知道一个结构系统理想的优化程度，是使其所有的构件、部位均达到接近允许设计应力，(保证所有规定工况条件均满足)。但实际上因为种种原因，这样的结构系统是作不出来的。可是我们却可以在结构设计时，使尽可能多的构件或部位接近这个参数。钢管杆设计是否优化，一方面是要使最高应力的部分尽量接近但不超过目标应力，更重要的是使尽可能多的构件或部位接近这个目标。既然钢管杆的主要荷载特征是受弯，分析其弯矩分布图可知，它基本上就是一个从上至下的一条斜直线，而其斜率就是结构所受水平力的总和。对于结构设计人员来说，钢管杆也就是一个荷载的承受体。一种荷载等级的钢管就有一种弯矩的斜率，因此选择杆体、横担合理的斜率就是优化设计的关键。因为这样，我们才能使尽可能多的构件或部分接近允许应力。现在，很多设计是在计算前先确定一个锥度，然后进行试算，如果此锥度和合理的锥度相差很大，试算再多次也不能的到合理的设计。我们目前使用的设计程序就具备这个优选截面(及锥度的)功能。这种设计有一个明显的特点，就是其最大应力一般不是出现在构件的根部，尤其是构件仅为一段时，更加明显。这样，我们就使结构尽可能多的部位接近目标应力，应力相对较小的部位减少到最低程度，也就达到了既能很好的保证结构的功能和预期安全度的同时，只用了最低限度的钢材和其他耗材。
这样优化后的设计，其优势不仅使结构系统的更多部分达到或接近目标应力，在达到和满足设计(使用 )条件、保证结构安全度的同时，最大限度的节约了钢材，而且在于这种结构更加安全，因为这样的结构的承力最复杂，工艺要求最高的焊缝不在应力最大的截面处。这一点对焊接加工业来说是至关重要的。
3.连接螺栓
连接螺栓应尽量使其受剪，例如，横担与杆体连接的螺栓，因为这一原则有两个好处，第一，可以将螺纹避开剪切面，进而可以发挥螺栓最大截面处的功能；第二，这样的螺栓布置，使结构在没有外来荷载时，螺栓的受力几乎为零，只有在荷载加到结构上后，螺栓才受力。其受力大小和设计完全一致。结构安装也能较好控制。此外由于这种连接方式，其荷载的传递反应到螺栓上有一个滞后过程，这就大大降低了在外荷载出现较高频率的变化时螺栓受力变化的频率，因此对于螺栓抗疲劳破坏有其独有的优势。
连受拉螺栓尽量不要使用高强螺栓，在输电杆结构中，杆段之间的连接方式分为插接和法兰连接，法兰连接的螺栓最不利的受力状态为疲劳拉应力。按照《钢结构设计规范》 第7.2.3条中有这样的条文“高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构”，在我们了解到的信息中就有高强螺栓在输电杆还在结构安装时就发生断裂的情况，而且，连8.8级强度(仅仅接近高强)的螺栓，也常常出现热镀锌后强度达不到验收标准的情况，而这种情况是出现在用户直接点名指定使用的国内知名大型标准件生产厂家。这样的情况就给结构的安全留下了隐患。所以我们在选用螺栓时一般都采用6.8级强度的螺栓，以确保结构安全在设计计算可控制的范围内。
4.结论
钢管杆由于占地面积较少，耗材低、施工简便，因此我们在考虑输电线路的时候更需要考虑钢管杆的应用，从而需要加强输电线路钢管杆的优化设计，这样能够提高钢管杆设计水平，满足我国电力输电线路的发展要求，对于电力的发展起着重要的作用，有很大的现实意义。■
【参考文献】
［１］架空送电线路钢管杆设计技术规定(DL/T 5130—2001)[S].北京：中国电力出版社,2001．
［２］架空送电线路杆塔结构设计技术规定(DL/T 5154-2202)[S].北京：中国电力出版社,2002．
［３］钢结构设计规范(GB 50017-2003)[S].北京: 中国计划出版社,2003．
［４］田志兵．多边形插接式钢管塔的结构优化设计．硕士学位论文，保定：华北电力大学，2001．
［５］张殿生主编．电力工程高压送电线路设计手册．北京:水利电力出版社，1991：185-239．