基于SAP2000軟件的中重冰區(qū)直線塔靜力分析

林奇祥 江全才 盧振鵬 譚坤僑 許維忠

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 宜昌 443003）

神農(nóng)架變～宋洛變110kV線路工程，全線分為10mm、15mm、20mm、30mm冰區(qū)，為此宜昌電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)了1YC－ZBC1、1YC－ZBC2、1YC－ZBC3、1YC－JC1、1YC－JC2、1YC－JC3、1YC－JC4七個(gè)20mm 冰區(qū)鐵塔；1YD－ZBC1、1YD－ZBC2、1YDZBC3、1YD－JC1、1YD－JC2、1YD－JC3、1YD－JC4 七 個(gè)30mm冰區(qū)鐵塔，共計(jì)14個(gè).為確保安全性和準(zhǔn)確性，通常需做真塔試驗(yàn)，但真塔試驗(yàn)費(fèi)用昂貴.鑒于此，本文基于有限元分析軟件SAP2000仿真分析了110kV等級(jí)的1YD－ZBC3直線塔，為后續(xù)桿塔試驗(yàn)?zāi)M仿真、桿塔防災(zāi)抗災(zāi)、桿塔優(yōu)化提供借鑒.

1 計(jì)算模型及分析方法

1.1 計(jì)算模型

1YD系列鐵塔是宜昌電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司根據(jù)神農(nóng)架等中重冰區(qū)的實(shí)際條件專門設(shè)計(jì)的.呼高30.0m，全高37.5m，塔重20.4t，水平檔距400m，垂直檔距900m.塔身主材采用Q345鋼，輔材采用Q235鋼.1YD系列設(shè)計(jì)覆冰厚度為30mm.在有限元分析軟件SAP2000中建立1YD－2B3鐵塔三維模型，桿件均采用空間桿單元，如圖1所示.

圖1 1YD桿塔三維模型

1.2 桿塔上的荷載

桿塔承受的荷載一般分解為作用在桿塔上的垂直荷載（垂直于地面方向）、橫向水平荷載（平行桿塔平面即沿橫擔(dān)方向）、縱向水平荷載（垂直桿塔平面即垂直橫擔(dān)方向）.垂直荷載包括導(dǎo)線、地線、絕緣子串和金具的重力荷載、桿塔自重荷載、安裝檢修時(shí)的垂直荷載，包括工人、工具及附件等的重力荷載.橫向水平荷載包括導(dǎo)線、地線、絕緣子串和金具的風(fēng)壓、桿塔塔身風(fēng)載、轉(zhuǎn)角桿塔上導(dǎo)線及地線的角度力［1］.縱向水平荷載包括導(dǎo)線、地線的不平衡張力（對無轉(zhuǎn)角的桿塔不平衡張力為順線路方向，對有轉(zhuǎn)角的桿塔不平衡張力則與桿塔橫擔(dān)垂直）、導(dǎo)線地線的斷線張力和斷導(dǎo)線時(shí)地線對桿塔產(chǎn)生的支持力、安裝導(dǎo)線時(shí)的緊線張力［2］.

線路相關(guān)參數(shù)為：導(dǎo)線型號(hào)LGJ－240／55，地線型號(hào)JLBIA－120；導(dǎo)、地線耐張絕緣子串重量分別為500N、100N；間隔棒重30N.

1）運(yùn)行工況Ⅰ.

耐張桿塔荷載組合情況為最低氣溫、無風(fēng)、無冰、未斷線荷載組合.地線重力GB＝7 246N；導(dǎo)線重力GD＝10 310N；導(dǎo)線風(fēng)壓PD＝3 140N.

2）運(yùn)行工況Ⅱ.

直線桿塔第二種荷載組合情況為覆冰、有相應(yīng)風(fēng)速、未斷線.地線重力GB＝（43 135＋7 249）N；導(dǎo)線重力GD＝（10 275＋39 513）N；導(dǎo)線風(fēng)壓PD＝6 167N.

3）斷線工況Ⅰ：斷導(dǎo)線情況.

荷載組合為無冰、無風(fēng)、斷任意兩相導(dǎo)線.由于有上、中、下三相導(dǎo)線，斷任意兩相導(dǎo)線就會(huì)產(chǎn)生兩種變形，即上導(dǎo)線和一根下導(dǎo)線斷或兩根下導(dǎo)線斷.地線重力GB＝7 246N；未斷線相導(dǎo)線重力GD＝10 313N；斷線相導(dǎo)線重力GD＝5 422N；導(dǎo)線張力TD＝14 294 N.

4）斷線工況Ⅱ：斷地線情況.

荷載組合為無冰、無風(fēng)、導(dǎo)線未斷、斷任意一根地線.導(dǎo)線重力GD＝10 310N；地線重力GB＝3 723N；地線張力TD＝10 593N.

將所計(jì)算出的桿塔荷載施加到三維模型中運(yùn)行分析.

1.3 分析方法

靜力分析指的是對結(jié)構(gòu)施加一穩(wěn)定載荷，在這種條件下分析其應(yīng)力、應(yīng)變和位移.此時(shí)不需要考慮慣性和阻尼特性，也不需要考慮隨時(shí)間變化的載荷，但允許有穩(wěn)定的慣性載荷（重力和離心力）作用.包括線性靜力分析和非線性靜力分析，在本文中只考慮線性靜力分析.

2 線性靜力分析

荷載工況一旦被選定運(yùn)行后，軟件將根據(jù)對象的模型將其轉(zhuǎn)化為有限元，然后進(jìn)行分析運(yùn)算.從而得到荷載工況施加到結(jié)構(gòu)上對結(jié)構(gòu)的影響［4－5］.

對模型進(jìn)行線性靜態(tài)分析后分別得到各點(diǎn)在X、Y、Z3個(gè)方向上的位移，對3個(gè)位移進(jìn)行綜合，得到綜合位移.《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定高聳結(jié)構(gòu)水平位移限值，見表1.

表1 高聳結(jié)構(gòu)水平位移限值

因此可以求出1YD－ZB3上各點(diǎn)的最大水平位移為607mm.

2.1 位移

運(yùn)行軟件得到如圖2所示的各點(diǎn)偏移圖和圖3所示的應(yīng)力圖［6－7］.由軟件可計(jì)算得出鐵塔各點(diǎn)在各個(gè)工況下的偏移量，如圖4所示.

1）a工況（v＝30m／s，t＝－5℃，b＝0mm），鐵塔掛導(dǎo)線處偏移最大，各點(diǎn)的最大偏移在塔腿處最小為0，越往上越大，在其他工況下鐵塔的偏移也遵循這個(gè)規(guī)律.整個(gè)鐵塔塔頭以下部分偏移不大.主要是塔頭發(fā)生偏移，朝一側(cè)掛導(dǎo)線處偏移.

圖2 各個(gè)工況下鐵塔變形圖

圖3 鐵塔各點(diǎn)在各個(gè)工況下的應(yīng)力圖

圖4 鐵塔各點(diǎn)在各個(gè)工況下的偏移量

2）b工況（v＝15m／s，t＝－5℃，b＝30mm），鐵塔塔頭掛地線處點(diǎn)的偏移最大.此工況下點(diǎn)的偏移要比a工況下各點(diǎn)的偏移大.b工況下覆冰是最嚴(yán)重的.雖然從圖中觀察二者的偏移很相似，但圖4得出的數(shù)據(jù)表明b工況下的最大偏移是a工況下最大偏移的6倍.

3）c工況（斷一根導(dǎo)線的荷載組合情況為無冰、無風(fēng)），綜合最大位移發(fā)生在塔頭斷導(dǎo)線處，最大值達(dá)到76mm.其變形情況和a、b工況已經(jīng)有了明顯的不同，此時(shí)的偏移主要是在沿線方向發(fā)生的.這是由于導(dǎo)線斷開導(dǎo)致鐵塔前后檔受力不均勻，鐵塔在導(dǎo)線的拉力下向未斷線側(cè)偏移.

4）d工況斷的是地線，因此此時(shí)的變形形狀和c工況有些類似，但從圖4觀察到c工況的偏移要大一些，這是因?yàn)閷?dǎo)線張力要比地線張力大.

5）從以上各圖可以看出各個(gè)工況下的偏移都在限值范圍內(nèi)，最危險(xiǎn)工況是b工況，最大偏移接近350mm.直線桿塔第二種荷載組合情況為覆冰、有相應(yīng)風(fēng)速、未斷線（v＝15m／s，t＝－5℃，b＝30mm），這是幾種工況里唯一一個(gè)考慮覆冰情況的，而且覆冰厚度達(dá)到30mm.由此可見覆冰對桿塔的作用是很大的，而桿塔也承受住了覆冰的作用力.

2.2 應(yīng)力

經(jīng)過靜態(tài)分析可得到鐵塔各點(diǎn)在各個(gè)工況下的偏移和軸力圖.對于偏移最大的點(diǎn)可以進(jìn)一步進(jìn)行分析，得到此桿件的軸力圖，如圖5所示.

圖5 鐵塔各點(diǎn)在各個(gè)工況下的軸力圖

將計(jì)算結(jié)果與表2角鋼強(qiáng)度值進(jìn)行比較，圖5（a）對應(yīng)的是塔頭掛線點(diǎn)處，此桿件編號(hào)為867，屬性為GB－L100×8.此時(shí)桿件受力為11 315.25N.經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)度為7.24N／mm2，小于角鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值250N／mm2.圖5（b）對應(yīng)的是塔頭掛地線點(diǎn)處，此桿件編號(hào)為791，屬性為 GB－L100×8.此時(shí)桿件受力為24 339.49N.經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)度為15.56N／mm2，小于角鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值250N／mm2.圖5（c）塔頭掛線點(diǎn)處，此桿件編號(hào)為867，屬性為GB－L100×8.此時(shí)桿件受力為69 268.69N.經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)度為44.29N／mm2，小于角鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值250N／mm2.圖5（d）對應(yīng)的是塔頭掛地線點(diǎn)處，此桿件編號(hào)為791，屬性為GBL100×8.此時(shí)桿件受力為48 447.93N.

表2 鋼強(qiáng)度值

3 結(jié) 論

本文通過對中重冰區(qū)直線塔進(jìn)行靜力分析，檢驗(yàn)了鐵塔的安全性，分析結(jié)果顯示該鐵塔在各種工況下可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行，可以為以后的真塔試驗(yàn)提供重要參考.而且從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)該鐵塔裕度很大，可以對鐵塔進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化以節(jié)省鋼材.本文只分析了直線塔，耐張塔將在以后的文章里進(jìn)一步分析.

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