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Bonjour à tous ! Bienvenue sur ma chaîne. Aujourd’hui, nous allons parler d’un « grand personnage » qui nous entoure, mais que l’on comprend rarement en profondeur : la tour monocylindrique. Que ce soit une station de base 5G en milieu urbain, des installations de transport d’électricité le long des autoroutes ou des centrales d’énergie renouvelable en zone éloignée, on peut toujours apercevoir sa silhouette haute et droite. De nombreux amis se demandent peut-être : pourquoi un simple « tube métallique », apparemment si simple, parvient-il à supporter de telles charges importantes ? transmission d'électricité à haute tension , et restent néanmoins solidement ancrés dans des environnements extrêmes tels que les vents violents, les fortes pluies et même les séismes ? Aujourd’hui, nous analyserons ce problème étape par étape et révélerons le secret de la résistance élevée des tours à tube unique sous plusieurs angles, notamment la structure, les matériaux et la conception. L’explication est claire et accessible à tous : même si vous n’êtes pas étudiant en génie, vous pourrez facilement la comprendre～
Tout d'abord, nous devons clarifier un concept : la « haute pression » qu'une tour à tube unique peut supporter ne fait pas uniquement référence à la charge électrique induite par les lignes de transport d'électricité à haute tension, mais aussi à la charge mécanique générée pendant ce transport — telle que le poids des câbles, la charge due au vent, la charge de glace et de neige, ainsi que l'impact électrodynamique provoqué par le courant haute tension. De nombreuses personnes pensent à tort qu'une tour à tube unique supporte uniquement une « pression électrique », alors qu’en réalité, elle doit résister à la superposition de plusieurs forces. La raison pour laquelle elle « résiste » réside dans la triple garantie de la « conception scientifique + matériaux de haute qualité + construction précise », qui sont toutes indispensables.
En partant des matériaux les plus fondamentaux, une tour à simple tube ne peut résister à une haute pression que si elle possède un « corps robuste ». Ne pensez pas qu’il s’agit simplement d’un tube en acier ordinaire. En réalité, ses matériaux principaux sont des aciers à haute résistance soigneusement sélectionnés, tels que les aciers Q355 et Q420. La résistance à la traction, la résistance à la compression et la résistance à la fatigue de ces aciers sont nettement supérieures à celles des aciers ordinaires, ce qui leur permet de faire facilement face aux diverses contraintes mécaniques générées lors de la transmission d’électricité à haute tension. Par exemple, la limite d’élasticité de l’acier Q355 peut atteindre plus de 355 MPa, soit l’équivalent d’une pression supérieure à 3,5 tonnes par centimètre carré. Que signifie cela ? Cela équivaut à ce que 35 adultes puissent se tenir debout sur une barre d’acier aussi épaisse qu’un doigt. Seule une telle résistance peut constituer une base solide pour supporter une haute pression.
Plus important encore, ces aciers subiront un traitement anticorrosion spécial, tel que le procédé de galvanisation à chaud. La plupart des scénarios de transport d’électricité haute tension se situent en extérieur. Les mâts tubulaires simples sont exposés pendant une longue période au vent, au soleil et à la pluie, notamment dans les zones côtières et les régions montagneuses humides. L’acier est facilement sujet à la rouille et à la corrosion. Une fois corrodé, sa résistance chute fortement et il ne peut plus supporter les charges haute tension. Le traitement de galvanisation à chaud permet de former sur la surface de l’acier une couche dense de zinc, véritable « manteau protecteur » qui isole l’acier de l’air et de l’humidité, empêchant ainsi sa corrosion et prolongeant la durée de vie utile du mât tubulaire simple à plus de 30 ans. Même dans des environnements sévères, ce traitement permet de conserver une résistance stable et d’éviter toute défaillance structurelle liée à la corrosion. En outre, dans certains cas particuliers, tels que le site de lancement de Wenchang (Hainan) et la station de recherche antarctique, des mâts tubulaires simples fabriqués en matériau composite à base de résine époxy renforcée de fibres de carbone sont également utilisés : ils pèsent seulement le tiers des structures en acier traditionnelles, et leur résistance à la fatigue atteint 10^7 cycles de charge sans dommage, ce qui leur permet de faire face à des défis environnementaux et des pressions extrêmes encore plus sévères.
Avec des matériaux de haute qualité, une conception structurelle scientifique est également nécessaire, ce qui constitue le « code central » permettant aux tours monocorps de résister à des pressions élevées. La caractéristique la plus marquante d’une tour monocorps est son « corps principal unique ». Elle semble simple, mais renferme en réalité de nombreuses astuces de conception. Tout d’abord, sa structure globale adopte une conception conique « étroite en haut et large en bas ». Cette conception n’a pas pour but l’esthétique, mais repose sur des calculs mécaniques précis : lors de la transmission d’électricité à haute tension, le poids des câbles, les charges dues au vent, etc., génèrent un moment de flexion considérable. Plus on se rapproche de la base de la tour, plus le moment de flexion est important et plus les forces sont concentrées. La conception conique permet d’augmenter la section transversale à la base de la tour, d’accroître la surface soumise à contrainte, et ainsi de répartir la charge induite par la haute pression, évitant ainsi la rupture due à une contrainte locale excessive ; tandis que la section transversale supérieure, plus réduite, permet non seulement de diminuer le poids global, mais aussi de réduire la résistance au vent, atténuant ainsi l’impact des vents violents sur le fût de la tour — deux avantages obtenus en une seule solution.
Deuxièmement, le corps principal de la tour à tube unique est une structure en acier tubulaire creuse, qui présente davantage d’avantages qu’un tube d’acier plein. D’une part, la structure creuse permet de réduire considérablement le poids du corps de la tour tout en garantissant sa résistance, et diminue ainsi la pression exercée sur les fondations. En effet, la hauteur de la plupart des tours à tube unique se situe entre 20 et 45 mètres, pouvant atteindre, dans certains cas, plusieurs dizaines de mètres. Un poids excessif entraînerait une charge énorme pour les fondations et nuirait à la stabilité globale de l’ouvrage ; d’autre part, le tube d’acier creux offre une meilleure résistance à la torsion et à la flexion. Lors de la transmission d’énergie haute tension, les câbles génèrent des efforts transversaux et des moments de torsion. La structure creuse permet de mieux répartir ces forces et d’éviter que le corps de la tour ne se déforme ou ne se tord. Par ailleurs, le corps principal de nombreuses tours à tube unique adopte une conception par assemblage multi-segments. Le diamètre et l’épaisseur de chaque segment sont ajustés avec précision en fonction des conditions de contrainte. Les parties d’assemblage sont reliées par des boulons à haute résistance afin de garantir que la résistance des zones d’assemblage n’est pas inférieure à celle du corps principal, évitant ainsi la formation de « maillons faibles » et faisant de l’ensemble de la tour une unité structurale intégrée capable de supporter collectivement les charges haute tension.
En plus de la structure principale, la conception des fondations de la tour à tube unique est également cruciale, ce qui équivaut à sa « racine ». Seule une racine solidement ancrée permet de résister à des pressions élevées. De nombreuses personnes ne remarquent pas que la partie souterraine de la tour à tube unique est plus complexe que sa partie aérienne. Ses fondations se divisent en fondations superficielles et fondations profondes. Le type spécifique retenu dépend des conditions géologiques, de la hauteur de la tour et de la charge haute tension. Par exemple, dans les zones planes bénéficiant de bonnes conditions géologiques, on utilise des fondations superficielles afin de répartir la pression transmise par le fût de la tour en élargissant la surface inférieure de la fondation, évitant ainsi tout tassement de celle-ci ; tandis que dans les zones montagneuses et vallonnées aux conditions géologiques complexes, on recourt à des fondations profondes, telles que des fondations sur pieux. Des pieux en béton armé sont enfoncés à plusieurs dizaines de mètres sous terre et solidement ancrés dans le substratum rocheux. Même en cas de catastrophes géologiques telles que séismes ou glissements de terrain, cette fondation reste stable, garantissant ainsi que le fût de la tour ne bascule pas et continue de supporter la charge de la transmission d’électricité haute tension.
Voici un exemple réel à votre attention. State Grid utilise largement des pylônes à tube unique dans le cadre du projet UHV ±1100 kV. Les fondations de ces pylônes à tube unique sont rigoureusement conçues pour résister à une vitesse de vent de calcul de 35 m/s et à une intensité sismique de VIII degrés, avec un taux de localisation de 100 %. Dans la construction des lignes de transport d’électricité issue de l’hydroélectricité dans les provinces du sud-ouest, telles que le Yunnan et le Sichuan, le taux d’utilisation des pylônes à tube unique combinés, spécifiquement conçus pour des terrains complexes, est supérieur de 19 points de pourcentage à celui observé dans les zones planes, ce qui illustre pleinement l’importance de la conception des fondations pour supporter des pressions élevées. En outre, un dispositif de protection spécial sera installé à la jonction entre la partie fondation et la partie principale, par exemple deux plaques de sécurité symétriques en miroir fabriquées dans un matériau offrant une bonne capacité d’amortissement d’énergie. Lorsque la charge externe dépasse la valeur de conception, ces plaques de sécurité fléchissent, dissipent une partie de l’énergie, protègent la structure principale contre les dommages et évitent ainsi que l’ensemble du pylône ne puisse plus supporter des pressions élevées en raison d’un endommagement local.
En outre, la conception mécanique de la tour à tube unique tiendra pleinement compte de divers facteurs externes afin de « se préparer à la pluie ». Par exemple, la charge due au vent constitue l'une des principales charges externes supportées par les tours à tube unique, notamment dans les zones côtières où la vitesse du vent peut dépasser 42 m/s. Des vents violents exercent une force d'impact considérable sur le fût de la tour. Les concepteurs calculent avec précision l'intensité de la charge éolienne en fonction de la vitesse et de la direction du vent dans les différentes régions, optimisent la forme du fût de la tour et réduisent la résistance au vent — la structure principale cylindrique présente un coefficient de résistance au vent très faible, ce qui permet de réduire efficacement l'impact des vents violents. En outre, le dispositif anti-vent situé au sommet de la tour améliore encore davantage la résistance au vent, garantissant que le fût de la tour puisse continuer à supporter de façon stable des pressions élevées même par temps de fort vent. Il faut également tenir compte de la charge due à la glace et à la neige. Dans les régions froides, la glace et la neige s’accumulent sur le fût de la tour et sur les câbles, augmentant ainsi le poids total de la tour. Les concepteurs calculent à l’avance l’épaisseur d’accumulation de glace et de neige, augmentent la marge de charge admissible du fût de la tour et évitent ainsi tout dommage au fût causé par une surcharge excessive de glace et de neige.
En plus des matériaux, de la structure et des fondations, une construction précise ainsi qu'une maintenance ultérieure garantissent également la capacité des tours monocorps à supporter de hautes pressions. Pendant le processus de construction, chaque étape est soumise à des normes strictes. Par exemple, la découpe, le soudage et l’assemblage des éléments en acier doivent être réalisés par des techniciens qualifiés afin de garantir que la résistance des parties soudées respecte les normes en vigueur et que les boulons aux endroits d’assemblage soient correctement serrés, évitant ainsi les risques potentiels pour la sécurité de la tour dus à des erreurs de construction. Par ailleurs, les soudures doivent faire l’objet d’inspections rigoureuses afin de s’assurer qu’elles ne présentent aucun défaut tel que des pores ou des fissures ; dans le cas contraire, la résistance globale de la tour serait compromise et elle ne pourrait plus supporter des charges haute tension. En outre, l’installation des tours monocorps fait appel à des équipements de levage professionnels afin de garantir que le fût de la tour soit parfaitement vertical et éviter toute inclinaison, car un fût incliné entraîne une répartition inégale des contraintes et des contraintes locales excessives, ce qui, à long terme, endommagerait le fût de la tour et nuirait à sa capacité à supporter des tensions élevées.
La maintenance ultérieure est également tout aussi importante. Le personnel procède régulièrement à l’inspection des tours monocorps, notamment en détectant la corrosion de l’acier, la tension des boulons, la verticalité du fût de la tour et le tassement de la fondation. Dès qu’un problème est identifié, des réparations et renforcements sont effectués sans délai. Par exemple, la tour monocorps intelligente déployée par le groupe Henan Pinggao Electric dans les projets de postes de conversion est équipée de capteurs de surveillance des contraintes, permettant de suivre en temps réel l’état de santé structurelle du fût de la tour. En cas de contrainte anormale, une alarme est déclenchée immédiatement afin d’éviter que la structure endommagée ne puisse plus supporter des pressions élevées. China Tower a également mis en place une surveillance dynamique de 2,2 millions d’ouvrages de tours à l’échelle nationale grâce à une plateforme intelligente de gestion basée sur l’IAoT, réduisant ainsi le délai de réponse pour la maintenance des équipements à 2,1 heures, ce qui garantit que les tours monocorps restent toujours en bon état et supportent de façon continue et stable les charges haute tension.
À l’heure actuelle, je pense que tout le monde a compris qu’il n’est pas fortuit qu’une tour à simple conduit puisse résister à une haute pression, ni qu’il s’agisse simplement d’un « tube épais et rigide », mais bien de la coopération scientifique de plusieurs maillons tels que les matériaux, la structure, les fondations, la construction et la maintenance. Chaque maillon est précisément calculé et strictement contrôlé, ce qui permet à ce « tube de fer » apparemment simple de devenir une « aiguille stabilisatrice » pour la transmission de l’électricité haute tension et la transmission des communications.
En effet, le champ d'application des mâts monopodes s'élargit de plus en plus. Ils jouent non seulement un rôle essentiel dans le domaine de la transmission d'électricité à haute tension, mais sont également largement utilisés pour les stations de base 5G, la construction des villes intelligentes, les centrales électriques issues des énergies nouvelles, ainsi que dans d'autres domaines. En 2023, l’ampleur du marché des mâts monopodes en Chine a dépassé 18 milliards de yuans, dont 65 % proviennent du secteur des télécommunications et plus de 30 % du secteur de l’énergie ; le taux de pénétration dans les projets UHV (tension extrêmement élevée) ±1100 kV s’élève désormais à 34 %. Avec le développement de la construction chinoise des nouvelles infrastructures, la technologie des mâts monopodes progresse également constamment. Par exemple, l’apparition de mâts monopodes en matériaux composites et de mâts monopodes intelligents renforce non seulement leur capacité de résistance aux hautes tensions, mais les rend également plus respectueux de l’environnement, plus économes en énergie et plus intelligents.
Enfin, pour résumer, la raison pour laquelle une tour à tube unique résiste à des pressions élevées repose sur quatre points essentiels : premièrement, un acier de haute qualité et haute résistance fournit une base solide en termes de résistance mécanique ; deuxièmement, la structure creuse conique, conçue scientifiquement, optimise la répartition des contraintes et dissipe les charges ; troisièmement, la conception stable de la fondation garantit que le fût de la tour est solidement ancré ; quatrièmement, une construction précise ainsi qu’un entretien ultérieur rigoureux assurent la stabilité à long terme du fût de la tour. C’est la combinaison parfaite de ces quatre éléments qui permet à la tour à tube unique de supporter de façon stable des pressions élevées dans divers environnements complexes et d’assurer un soutien fiable pour notre réseau de transport d’électricité et nos infrastructures de télécommunications.
Bon, voici aujourd’hui notre vlog. Je pense que chacun a désormais une compréhension claire de la raison pour laquelle les tours à tube unique résistent à des pressions élevées. Si vous avez d’autres questions concernant les tours à tube unique, ou si vous souhaitez en savoir plus sur d’autres infrastructures, n’hésitez pas à laisser un message dans la zone des commentaires, et à très bientôt !