工频电压、操作过电压和雷电过电压是电气专业在线路塔头设计时的3个重要控制因素。故在设计复合材料杆塔时，在满足工频爬电距离和雷电间隙距离要求的情况下，杆塔采用复合材料横担和金属角钢塔身组合为“半绝缘结构”的杆塔整体设计方案，是确保杆塔设计经济合理的手段之一^[5]。220 kV复合横担的格构式塔，设计条件如下：

1)导线2×JL/G1A-400/35钢芯铝绞线，子导线垂直排列，分裂间距为400 mm，安全系数为2.5；地线单根JLB-150铝包钢绞线，安全系数为3.3。

2)基本风速27 m/s，覆冰厚度10 mm。

3)海拔1 000 m以内，地形为平丘。

4)呼称高30 m，水平档距350 m，垂直档距450 m，摇摆角系数0.8。

根据设计原则和条件，新设计的复合横担猫头塔和酒杯塔塔头图如图1,图2,图3,图4所示：

图  1  复合猫头塔

Figure 1.  Cat head composite tower

图  2  复合酒杯塔

Figure 2.  Wine cup composite tower

图  3  猫头塔塔头图

Figure 3.  Cat head tower

图  4  酒杯塔塔头图

Figure 4.  Wine cup tower

220 kV单回路复合横担猫头塔、酒杯塔和上字塔分别与常规铁塔头尺寸对比结果如表1,表2～表3所示。表中水平线间距离差值可等效为走廊宽度差值。

复合杆塔和常规塔比较可以得出，不论是复合猫头塔还是酒杯塔，在降低塔头高度方面均具备优势，但由于线间距离并无改善或者更差，导致复合横担猫头塔在线路走廊方面不降反增，复合横担酒杯塔与常规塔基本相当，这主要是由于猫头塔和酒杯塔的结构特点所决定的。由于猫头塔和酒杯塔结构较为复杂，采用复合横担后，在节约走廊方面没有优势，实际工程中基本没有应用场景，缺乏研究价值，因此不作为深入研究对象。

经比对，220 kV单回路复合横担上字塔，能有效减少占用空间，优化线路走廊，在一定程度上减轻输电线路对周边环境的影响，有深入研究的必要。根据相关设计原则和条件，其塔头图设计如图5所示。除塔头正面间隙外，复合横担由于端部有金属件和均压环的原因，需校核俯视图间隙，结果如图6所示。

图  5  复合横担上字塔

Figure 5.  Shang character composite tower

图  6  空气间隙校验

Figure 6.  Air gap check

经比对上字塔水平线间距离为9.6 m，与常规猫头塔相当，且结构布置合理、构件受力明确清晰、传力路线简洁，推荐以上字塔作为进行深入研究的对象。

承担轴心荷载是复合横担主要荷载，其截面选择主要满足以下要求：电气性能要求、结构强度设计、施工简洁、截面满足刚度需求。

截面开展对轴心受压构件具有重要意义。复合材料弹性模量低，对比传统的角钢构件，其整体稳定问题尤为突出。故在对该类构件进行选择时，应注意使其惯性矩尽可能大，以提高构件的承载力。

复合材料的截面形式可依据工程的需求设计成各种不同的形状，现主要有“D”型、实心“○”型、空心“○”型、“L”型和“□”型^[6]。不同的截面形式适应不同的工程需求，设计人员应根据工程实际情况对截面形式进行优选。

对于复合横担的受拉构件，现多采用复合绝缘子，其截面形式为实心“○”形，其主要截面尺寸主要由受拉强度控制。

对于复合横担的受拉构件，由于复合材料的弹性模量较低，其整体稳定性是设计人员最为关心的问题，宜将其截面设计为惯性矩尽可能大，以提高构件的稳定承载力。采用拉挤加缠绕(拉绕)工艺制造的“D”型管，虽然具有较高的抗拉、抗压和抗扭特性，节点也方便，但是造价较高。经过比对，圆形截面具有惯性矩大，稳定性好，承载力高，制作便捷，连接方便等优势，能很好地满足电气的间隙和结构的受力要求。各截面特性的比对如表4所示。

经比对，受拉构件采用实心复合绝缘子可满足强度要求，受压支柱绝缘子可根据受力合理选用实心拉挤芯棒或空心“○”形管作为主要受力构件。

复合塔横担布置形式基本上是采用上面复合绝缘子传递拉力，下面支柱绝缘子串传递压力。对于这种拉压结构体系布置的复合横担，目前已在工程中得到应用的主要有三拉一压结构形式以及双柱双斜拉结构形式等^[7]。

1)三拉一压布置方案对于110 kV及220 kV的直线塔可满足杆塔设计荷载和工程应用需求。同时，由于支柱绝缘子和斜拉绝缘子的结构形式和成型方式有所区分，其生产工艺的效率区别非常大，支柱绝缘子采用空心缠绕成型方式，斜拉绝缘子采用拉挤成型方式，斜拉绝缘子要比相应的支柱绝缘子造价便宜很多，并且工艺质量可充分保证。故从经济性方面考虑，低电压等级可考虑采用三拉一压横担结构形式。

2)双柱双斜拉结构形式的复合绝缘横担，主要在330 kV、500 kV、750 kV和1 000 kV等超高压和特高压中应用，其横担绝缘子较长，且大都为细长构件，横担结构需要有较大的轴向压力，而双柱双斜拉的结构形式比一压三拉的结构形式可承受更大的荷载。

由于复合横担塔比常规角钢塔复杂的多，若仍采用常规的桁架方案，则其节点较多，不仅增加了连接成本，还会导致悬浮电位数量的增加，改变复合横担电场分布，具有一定风险。

综上所述，本次研究对象为220 kV直线塔在满足安全性的前提下合理选择经济性更好的结构布置形式，建议选择三拉一压布置方案。

采用桁梁混合模型对输电铁塔进行建模。选择BEAM188单元作为塔身主材、地线支架和符合横担下弦压杆的分析单元^[8,9,10]。作为一个二节点的三维线性梁单元，BEAM188在每个节点上有6或7个自由度。此元素的特性能贴合线性(分析)，大偏转，大应力的非线性(分析)的受力状态，满足仿真的精度。

选择LINK180单元作为复合横担上下弦拉杆单元，该单元每个节点有三个自由度，不承受弯矩，其单元特性符合拉杆单元的受力状态。

由于梁单元受轴向力又承受剪力和弯矩，杆单元只承受轴向力，它能很好地模拟复合横担拉杆的实际受力情况。

有限元分析采用的FRP构件力学参数见如表5所示。

　模型按实际设计图纸建立，横担规格按复合横担有限元分析结果设定。

边界条件也与实际相同，荷载按照实际工况施加，同时考虑塔重，并考虑附加重量，典型复合材料横担模型和整塔模型如图7和图8所示。

图  7  复合材料横担模型

Figure 7.  Composite cross arm model

图  8  整塔模型

Figure 8.  Tower model

对于整塔模型方面，通过对比各工况下构件受力情况，整塔在各工况下未发生破坏，各构件的应力状态处于材料线性阶段。典型塔有限元计算分析后得到的位移云图、应力云图以及轴力图如图9所示。

图  9  位移、应力、轴力云图

Figure 9.  Tower displacement，Tower stress, Tower axial force

复合横担上弦拉杆采用Ф40(棒)，上弦压杆采用Ф272×12(管)；下弦拉杆采用Ф50(棒)，下弦压杆采用Ф272×12，分别测算上横担，下横担在90°大风，断线及安装工况下面的位移情况如表6所示。

依据上述有限元建模分析结果，(管)的变形满足电气间隙设计要求。

分别采用线性分析和非线性分析对横担的位移、应力和轴力进行分析，计算结果如表7所示，线性分析与非线性分析差异较小。今后在设计复合杆塔时应用线性分析即可达到相关精度。

复合横担杆塔的费用主要由两部分构成，一部分是安装费用，另一部分是材料费用，复合横担杆塔目前尚未在电网工程中大规模使用，南网和国网造价管理机构尚未发布相应的信息价，文中的相关单价信息经由咨询厂家获得。经测算，220 kV单回路复合杆塔的基础力和普通杆塔的基础力差异不超过1%。综合考虑地质情况及施工实际，基础力的变化在经济性分析中影响甚微。

220DFZ杆塔在采用复合横担和常规布置的主要工程量指标及造价水平如表8所示。

从表8数据得出，采用复合横担后，本体造价比原来增加约0.26万元。但由于复合横担塔能节省走廊宽度，降低拆迁费用，折算到每基塔后复合横担塔的建场费用比普通塔约降低4.32万元，综合造价节省4.06万元。因此在建筑密集的区域，220 kV单回路采用复合杆塔可以有效节省线路走廊，缩减拆迁面积及相关费用，节省工程的总投资。

综上，在使用复合杆塔时，应对线路路径的外部的情况进行综合考量并进行相关的经济性分析，方可筛选出最佳方案。

1)对比猫头塔，酒杯塔和上字型塔，复合横担应用于上字型铁塔中更为合理。

2)圆环型截面具有惯性矩大，稳定性好，承载力高，制作便捷，连接方便等优势，建议横担选用圆环形截面。

3)三拉一压形式为220 kV输电线路推荐使用的横担布置方案。

4)线性分析具有足够的精度，可采取线性分析进行设计。

5)选用复合横担时应对杆塔造价，安装费用，拆迁补偿等相关因素，在工程量上进行技术经济的比较，从而得出较为合理的方案。