某特高壓工程鐵塔真型試驗(yàn)分析

何 川， 羅先國， 鄒相國

（湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 湖北 武漢 430040）

1 試驗(yàn)原理及方法

1）加荷：采用液壓加荷裝置，通過鋼絲繩串聯(lián)拉力傳感器，按試驗(yàn)分級要求，逐步將垂直、水平及張力負(fù)荷施加在桿塔指定荷載作用點(diǎn)上。

2）觀測：通過拉力傳感器控制水平負(fù)荷及張力負(fù)荷加載的大小值；采用應(yīng)變測量儀，測出各主要桿件的應(yīng)變值得到各桿件的應(yīng)力；在桿塔的正側(cè)面各設(shè)置一臺(tái)經(jīng)緯儀，分別測得桿塔正側(cè)面的撓度變形值及橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)位移值。

2 設(shè)計(jì)條件

1）導(dǎo)線：8×JL1/G3A-1250/70鋼芯鋁合金絞線。

2）檔距（水平/垂直）：590/700 m。

3）基本風(fēng)速覆冰：27 m/s、10 mm。

4）桿塔全高：77.5 m。

3 鐵塔加荷方案

3.1 試驗(yàn)工況

該塔進(jìn)行以下兩組共計(jì)六個(gè)工況的試驗(yàn)：工況1，90°大風(fēng)；工況 2,斷左地線；工況 3,斷左導(dǎo)線；工況4，錨左地線，右地線已錨；工況5，左導(dǎo)線施工提線，右側(cè)導(dǎo)線、地線已安裝；以上工況試驗(yàn)荷載均為100%設(shè)計(jì)荷載；工況6，45°大風(fēng)；試驗(yàn)荷載為超載至150%設(shè)計(jì)荷載。

3.2 加荷步驟

加荷級別分別如下。

1）工況 1—5（橫向、縱向、垂直）加載分別為0-50%-75%-90%-95%-100%-0。

2）工況6超載（橫向、縱向、垂直）加載分別為0-50%-75%-90%-95%-100%-105%-110%-115%-120%-125%-130%-135%-140%-145%-150%-破壞。

4 試驗(yàn)情況

開始試驗(yàn)后，依次進(jìn)行工況 2、3、4、5、1，試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載，所有工況都順利通過試驗(yàn)。工況6，45°大風(fēng)，試驗(yàn)荷載為超載至150%設(shè)計(jì)荷載，當(dāng)荷載加至100%時(shí)，工況順利通過，當(dāng)荷載加至139%時(shí)，被試塔倒塔破壞。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 實(shí)測位移影響因素分析

一般桿塔真型試驗(yàn)均要求獲得位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)受到很多因素影響。

1）設(shè)計(jì)加工方面：與桿件布置方式、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、加工精度等有關(guān)。

2）組裝方面：與組裝方式、螺栓緊固程度等有關(guān)。

3）試驗(yàn)順序：與工況試驗(yàn)順序、持荷時(shí)間、加荷速度等有關(guān)。

Z2塔位移測點(diǎn)共布置16個(gè)，測點(diǎn)布置見下頁圖1（圖中1～16是應(yīng)變片在塔上的黏貼位置）。第1-3工況位移實(shí)測值比計(jì)算值大15%左右，而第4-5工況位移實(shí)測值和計(jì)算值相差在7%左右。原因是部分螺栓在前幾個(gè)工況加載后發(fā)生滑移，而在后幾個(gè)工況加載中誤差就減小了，因此先加載的工況試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算偏差較大，后加載的工況差距明顯減小。

5.2 實(shí)測應(yīng)變影響因素分析

在彈性范圍內(nèi)鐵塔的實(shí)測應(yīng)變可通過應(yīng)力應(yīng)變公式計(jì)算出實(shí)測內(nèi)力。鐵塔的實(shí)測與計(jì)算內(nèi)力有差距，主要由以下因素引起。

圖1 試驗(yàn)塔位移測點(diǎn)圖

1）應(yīng)變片測量誤差的影響：應(yīng)變片的測量精度與多方面因素有關(guān)，應(yīng)變片黏貼也是非常關(guān)鍵的要素之一。

2）節(jié)點(diǎn)非鉸接影響：理論計(jì)算時(shí)將節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一視為鉸接，但實(shí)際中節(jié)點(diǎn)都有一定的剛度，并非理想的鉸接。

Z2塔應(yīng)變測點(diǎn)共布置67點(diǎn)，黏貼應(yīng)變片134片。從計(jì)算內(nèi)力和實(shí)測內(nèi)力對比可看出：除斷地線工況差異稍大外，該塔大部分測點(diǎn)實(shí)測內(nèi)力與計(jì)算內(nèi)力基本相符，誤差在10%以內(nèi)；桿塔主材實(shí)測內(nèi)力與計(jì)算內(nèi)力吻合程度較高，驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性。塔身主材（44號測點(diǎn)）實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的相對誤差為5%，塔腿主材（61號測點(diǎn)）的相對誤差為4%；導(dǎo)線橫擔(dān)上平面主材與塔身相連處，角鋼兩肢的應(yīng)變分別為552和579，兩肢受力較為接近。這說明采用相互垂直焊接的節(jié)點(diǎn)板與橫擔(dān)上平面主材兩肢相連后，這個(gè)部位傳力已經(jīng)接近于雙面連接。橫擔(dān)上平面主材按雙面連接設(shè)計(jì)，與以往單面連接設(shè)計(jì)相比可使橫擔(dān)上平面主材規(guī)格降1～2級。

5.3 超載及破壞情況分析

1）試驗(yàn)塔選取“45°大風(fēng)”作為超載破壞試驗(yàn)工況，加載至100%時(shí)，腿部主材應(yīng)變測點(diǎn)61，實(shí)測應(yīng)變值1 316με，換算成內(nèi)力為2 934 kN，而該桿件設(shè)計(jì)內(nèi)力值2 894 kN（100%設(shè)計(jì)荷載時(shí)），實(shí)測內(nèi)力偏差1.3%。這些數(shù)據(jù)證明計(jì)算理論與實(shí)際受力情況吻合。

2）試驗(yàn)后對桿件進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是：腿部主材實(shí)測屈服強(qiáng)度為470 MPa。

3）由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，對于Q420鋼，≤16 mm時(shí)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為380 N/mm2，分項(xiàng)系數(shù)γR為1.111。對于腿部主材在100%設(shè)計(jì)荷載時(shí)應(yīng)力比為0.9。按設(shè)計(jì)理論計(jì)算其破壞超載級別為1÷0.9×1.111×470÷420=138.1%，與實(shí)際 139%破壞很接近。

5.4 試驗(yàn)塔分析小結(jié)

1）Z2塔順利通過6個(gè)工況100%設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)；45°大風(fēng)工況超載至139%設(shè)計(jì)荷載時(shí)，塔腿主材破壞；通過位移和應(yīng)變分析，得出計(jì)算模型和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理，計(jì)算理論和設(shè)計(jì)理念能夠保證桿塔安全。

2）橫擔(dān)上平面主材與塔身相連處采用相互垂直焊接的節(jié)點(diǎn)板雙面連接后，兩肢受力接近，表明此處可按雙面連接設(shè)計(jì)，可使橫擔(dān)上平面主材規(guī)格降低1～2級。

3）理論計(jì)算該塔應(yīng)在塔腿主材破壞，而實(shí)際也是如此。

6 結(jié)語

通過對某特高壓直流Z2塔進(jìn)行真型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了被試桿塔結(jié)構(gòu)在特高壓輸電線路中的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性，不僅能為特高壓桿塔優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，而且能為特高壓線路的建設(shè)和安全運(yùn)行提供技術(shù)支持，是保證我國特高壓輸變電線路桿塔結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。