220kV干字型轉(zhuǎn)角塔靜力極限覆冰厚度研究

劉春城，李霞輝，劉法棟，毛緒坤

(東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012)

在架空輸電線路工程中，桿塔建設費用約占本體投資的30%以上，直接決定著線路的經(jīng)濟性［1］。而近年來覆冰倒塔事故的頻繁發(fā)生，給人民生活帶來很多不便，經(jīng)濟上造成重大損失［2］。

本文采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ansys，以某電力設計院設計的220 kV干字型轉(zhuǎn)角塔為例，建立計算模型，進行特征屈曲分析和考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷的非線性屈曲分析。計算時考慮覆冰有風工況，風速為10 m/s，冰厚取10 mm、15 mm、20 mm，風向為90°，得出結(jié)構(gòu)在各種情況下的應力和位移值，分析其各桿件在不同荷載下力學性能的變化。

1 有限元模型的建立

輸電塔采用桁梁混合模型建模，弦桿和主腹桿選用ANSYS中Beam188單元模擬，次腹桿則由桿單元Link8來模擬，梁單元圍成鐵塔的整個框架。鐵塔主材為Q345B角鋼，斜材和輔助材為Q235B角鋼材料;導線型號為LGJ-300/40，地線選用JLB40-150;水平檔距450 m，垂直檔距550 m;轉(zhuǎn)角度數(shù)為20°。模型見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)角塔模型三維視圖

2 荷載施加

當具備了形成覆冰的溫度和濕度條件后，風速的大小和風向?qū)Ь€覆冰大小起重要作用［3］。所以本文考慮覆冰有風工況的作用。

將覆冰厚度折算為塔材的材料密度加載于鐵塔上［4］。

導地線垂直荷載:

式中:δ為覆冰厚度;d為導、地線直徑;Lv為線路的垂直檔距。

導地線風載:

式中:v為風速;κ為風壓不均勻系數(shù);usc為導、地線體形系數(shù);LP為線路水平檔距;α為風向與導、地線之間的夾角。

桿塔風荷載:

式中:uz為風壓高度變化系數(shù);us為體形系數(shù);βz為風振系數(shù);Af為構(gòu)件承受風壓投影面積計算值，取B類地貌;W0為基本風壓。

轉(zhuǎn)角塔考慮電線不平衡張力和角度荷載作用:

圖2 轉(zhuǎn)角塔導線張力示意圖

電線張力:

角度荷載:

不平衡張力:

式中:σ為電線懸掛點處應力;A為導、地線橫截面積;T1、T2為順線路方向電線張力;α1、α2為桿塔兩側(cè)線路方向與桿塔橫擔垂向的夾角［5］。

3 結(jié)構(gòu)極限覆冰厚度及其可能對應的極限狀態(tài)準則

對于輸電鐵塔這種由n個單元組成的結(jié)構(gòu)，一個單元的失效并不能導致整個結(jié)構(gòu)的破壞。取整體結(jié)構(gòu)失效時對應的覆冰厚度為極限覆冰厚度［6］。按照《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》［7］要求:自立塔按非線性分析時，以風載為主的塔頂位移不應超過其高度的2%，以地震荷載為主的位移不應超過其高度的1%?？紤]覆冰有風工況作用，所以本文將塔頂位移為塔高的2%作為位移收斂條件。極限覆冰厚度可能對應的極限狀態(tài)準則為:

(1)如果覆冰厚度達到極限值時，ANSYS運算收斂，頂點位移達到剛度要求，極限狀態(tài)準則為位移準則;

(2)如果覆冰厚度遞增某一值時，頂點位移小于塔高的2%，ANSYS運算不收斂，極限狀態(tài)準則為穩(wěn)定性準則;

(3)如果覆冰厚度達到某值時，頂點位移未達到剛度要求，ANSYS運算收斂，但個別桿件的應力大于屈曲應力，極限狀態(tài)準則為屈曲強度準則。

4 結(jié)構(gòu)的非線性屈曲分析

4.1 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析能夠預測結(jié)構(gòu)的理論屈曲強度，優(yōu)點是僅考慮線性行為，即可獲得結(jié)構(gòu)的臨界荷載和屈曲模態(tài)，并可為非線性屈曲分析提供可供參考的荷載值。

特征值方程為:

式中，λi為第i階特征值;{?i}為特征向量，是相應該階屈曲荷載時的結(jié)構(gòu)變形形狀;［KE］為結(jié)構(gòu)的小位移(即彈性)剛度矩陣;［KG］為參考初應力矩陣［8］。

4.2 非線性屈曲分析

對于輸電塔結(jié)構(gòu)，在分析時應考慮其大變形作用，考慮其初始缺陷，對結(jié)構(gòu)進行非線性屈曲分析。跟蹤非線性平衡路線的應用較多、效果較好的方法是柱面等弧長法。迭代過程中，這里選取荷載收斂準則［9］為收斂與否的判據(jù):

式中:{g}為節(jié)點不平衡力向量;{q}為參考荷載向量;β為參數(shù)，可取10-5。如果迭代次數(shù)已經(jīng)超過某一預定的最大值或位移向量越來越大，則視為發(fā)散。

本模型采用增量加載方式進行特征值屈曲分析，得到各階屈曲模態(tài)圖見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)角塔特征值屈曲變形圖

第一階屈曲變形發(fā)生第一段塔身處，說明此處構(gòu)件最易發(fā)生局部失穩(wěn)變形;從多階屈曲模態(tài)可以看到，塔身梁單元易發(fā)生變形，斜材支撐的變形作用較大;由此可以得出桿件失穩(wěn)是鐵塔破壞的重要原因之一。

增量加載覆冰厚度，對輸電塔模型進行非線性屈曲分析。當剛度矩陣奇異，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)瞬間大位移變化時取該厚度為極限覆冰厚度?？梢缘玫借F塔在不同覆冰厚度作用下所對應塔頂橫向位移值，見圖4。

由圖4可以得到該塔極限覆冰厚度為18 mm。

圖5為轉(zhuǎn)角塔在覆冰有風工況下的變形圖，塔身的扭轉(zhuǎn)變形比較明顯。

由非線性屈曲分析得到不同覆冰厚度時各桿件的應力，當10 mm覆冰時，各桿件均未達到屈服;迎風面塔腿主材由于導線張力作用，彎矩相對較大;塔頂橫向位移最大，為212 mm，不超過塔高的1%。當15 mm覆冰作用時，塔腿處桿件應力超過其屈服強度，受扭變形較明顯，說明塔腿處受到導地線張力影響比較大;塔身主材部分桿件達到屈服，隨著覆冰厚度增加，塔身的危險桿件逐漸增多;20 mm覆冰工況下，ANSYS運算不收斂，按分布加載方式施加導地線張力，在18 mm覆冰加載時出現(xiàn)剛度矩陣奇異，塔腿和塔身受壓主材桿件大部分已達到屈服強度，且位移突然增大，說明此時結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，塔頂位移為492 mm，已遠遠超過了塔高度的1%。

5 結(jié) 論

(1)本文轉(zhuǎn)角塔最終破壞是由于大部分桿件屈曲而破壞，而整體失穩(wěn)時塔頂位移還未達到規(guī)范規(guī)定的2%，屬于整體穩(wěn)定性破壞準則。

(2)由于轉(zhuǎn)角塔受到較大的導地線角度荷載作用，當覆冰和風荷載較大時，塔腿處所受彎矩較大，易造成桿件失效，成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，抗冰設計時應加以注意。

(3)進行了鐵塔屈曲分析，得出了臨界覆冰厚度和屈曲變形圖，為評估鐵塔的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有用的參考。

［1］楊靖波，李正，楊風利，等.2008年電網(wǎng)冰災覆冰及倒塔特征分析［J］.電網(wǎng)與水力水電進展，2008，24(4):4-8.

［2］蔣興良，馬俊，王少華，孫才新，舒立春.輸電線路冰害事故及原因分析［J］.中國電力，2005，38(11):27-30.

［3］熊鐵華，侯建國，安旭文.覆冰、風荷載作用下南方某輸電鐵塔可靠度分析［J］.武漢大學學報，2011，44(2):207-211.

［4］田琪凌.500kV高壓輸電塔覆冰承載能力分析及塔型優(yōu)化設計［D］.武漢:華中科技大學，2009.

［5］電力工程高壓送電線路設計手冊(第二版)［M］.北京:中國電力出版社，2002.

［6］熊鐵華，侯建國，安旭文，李峰.覆冰荷載下輸電鐵塔體系可靠度研究［J］.土木工程學報，2010，43(10):8-13.

［7］GB50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》［S］.北京:中國計劃出版社，2007.

［8］王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［9］李雪，李宏男，黃連壯.高壓輸電線路覆冰倒塔非線性屈曲分析［J］.振動與沖擊，2009，28(5):111-114.