淺析輸電鐵塔結(jié)構(gòu)加固方法

黃曉予 阮筱菲 陳俊

（1 國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院 福建福州 350013 2 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

福建省地處東南沿海，自然災害頻發(fā)，尤其以臺風為盛，屢次對福建電網(wǎng)造成重大沖擊。臺風登陸后，線路可能因風偏、外力、絕緣子串斷裂、斷線、桿塔損壞等發(fā)生跳閘，較之其他故障原因，桿塔損壞搶修時間長、成本高，對電網(wǎng)安全影響嚴重，故提高桿塔的抗風能力對于輸電線路穩(wěn)定運行意義重大。

對于運行多年的輸電塔，拆除重建和原位加固均能提高抗風能力，但是前者投資高、工期長、停電時間久，后者相比更具優(yōu)勢。

對輸電塔上部結(jié)構(gòu)的原位加固方法主要分為2 大類：①增加輔助支撐；②增大截面法。本文將結(jié)合2016 年莫蘭蒂臺風中倒塔的廈門220 kV 李西線受損塔型，對比分析2 種加固方法的特性。

1 分析對象

2016 年9 月15 日，1614 號臺風莫蘭蒂登陸廈門，造成220 kV 李西線5 基鐵塔倒塌、3 基塔頭嚴重破壞，并伴隨導線、地線、光纜斷裂。受損塔型為ZM1 和ZM2，執(zhí)行《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術規(guī)定》（SDGJ 94—1990）規(guī)范，重現(xiàn)期15 a，設計風速35 m/s（15 a 一遇，離地高度15 m）。

池金明等［1］對上述塔型進行了倒塔分析，正常設計風速下，桿塔應力比均小于1.0，滿足承載力要求；在莫蘭蒂臺風V=46.8 m/s（3 s 平均風速）作用下，桿塔塔身多段應力比超限，主要分布在塔頭頂部、變坡處、塔腿隔面附件位置。

為提高該線路的抗臺風能力，擬對ZM2 塔型進行加固處理?？紤]受臺風影響，將輸入條件中的基本風速放大至V=37 m/s（離地10 m 高，10 min 平均風速），該風速相當于莫蘭蒂臺風V=46.8 m/s（3 s 平均風速）。由于分析對象為現(xiàn)存輸電塔，因此不考慮安裝工況。選取具有代表性的超限主材，荷載、應力比及其他參數(shù)見表1。

表1 原始ZM2 主材參數(shù)

結(jié)果顯示塔身主材均為穩(wěn)定控制，應力比達到1.5～3.2，超限嚴重，無法滿足承載力要求，即無法抵御相當于V=46.8 m/s的莫蘭蒂臺風荷載。下文將采用2 種方式對其進行加固處理，分析加固效果。

2 增加輔助支撐

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)有穩(wěn)定控制和強度控制2 種，塔身主材多為穩(wěn)定控制。由于穩(wěn)定系數(shù)與計算長度成反相關，與失穩(wěn)方向的回轉(zhuǎn)半徑成正相關，通過增加構(gòu)件的輔助支撐來減小計算長度或者增加回轉(zhuǎn)半徑，均可提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。

如圖1 塔身主材兩節(jié)間，增加輔助材成四節(jié)間，計算長度減半。如圖2 橫隔水平材加固前繞角鋼平行軸失穩(wěn)（計算長度為塔身寬），增加側(cè)向支撐后，破壞模式為繞角鋼最小軸的失穩(wěn)（計算長度為塔身寬度的1/2）。

圖1 減小計算長度

圖2 改變失穩(wěn)方向

增設的輔助材規(guī)格由平衡法確定，并滿足長細比的限值要求。根據(jù) 《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設計技術規(guī)程》（DL/T 5486—2020），新輔助材在其支撐點所提供的支撐力占被支撐材最大軸壓力的百分數(shù)p，按照式（1）計算。

式中：λ 為被支撐材的長細比，當受力材之間的夾角＜25°時，輔助材在支撐點所提供的支撐力應予以適當提高或通過試驗確定。

按照上述方式，對ZM2 塔身主材進行改造，加固后的應力比及其他參數(shù)見表2。對比表1 原始參數(shù)，分析桿件5～8，失穩(wěn)方向改為平行軸后，增加了構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑，應力比降低6%；分析桿件1～4，改變失穩(wěn)方向的同時，降低計算長度，使穩(wěn)定系數(shù)提高17%～125%，應力比降低34%～54%，加固效果明顯。主要原因是改變失穩(wěn)方向和降低計算長度均可減小長細比，提高穩(wěn)定系數(shù)，進而降低穩(wěn)定控制時的應力比。但是主材應力比大于1.0，仍然無法滿足基本風速為V=37 m/s 時的穩(wěn)定承載力要求。

表2 增加輔助支撐加固ZM2 主材參數(shù)

3 增大截面法

在需加固主材（單角鋼）的外側(cè)對角方向拼接新角鋼，形成雙軸對稱的十字形組合截面，4 根主材橫截面示意見圖3。雙拼角鋼之間采用十字形填板螺栓連接，或者采用正交錯開的一字型填板螺栓連接（圖3 未示出）。根據(jù)平面內(nèi)剛度與平面外等強原則，且為了滿足雙軸對稱，新角鋼的規(guī)格保持與原主材一致。

圖3 增大截面法

對ZM2 塔身主材采用增大截面法進行加固，在原主材外側(cè)增設相同規(guī)格的角鋼，組成十字形雙拼角鋼。同樣輸入V=37 m/s 的基本風速，荷載工況同原始模型，選取相同主材桿件進行對比，加固后的應力比及其他參數(shù)見表3，可知雙拼角鋼橫截面積翻倍后，失穩(wěn)方向和計算長度不變的情況下，盡管軸壓力由于自重而增加，但是穩(wěn)定系數(shù)提高21%～92%，應力比降低51%～74%，加固效果十分明顯，應力比也滿足承載力要求。

表3 增大截面法加固ZM2 主材參數(shù)

以設計風速衡量加固效果：從改造前的V=33 m/s（離地10 m高），提高到V=37 m/s，幅度約12%；以設計風壓衡量，能抵抗的風壓提高幅度約25%；能夠承受2016 年莫蘭蒂臺風瞬時風速V=46.8 m/s（時距3 s）的大風荷載，即增大截面法加固顯著提升了桿塔的抗風能力。

相比之下，增大截面法較增加輔助支撐更具優(yōu)勢，因此建議采用前者對現(xiàn)存桿塔進行改造加固，或疊加使用。

4 施工工藝

對于增加輔助支撐法，在主材或其他需加固桿件對應位置增設螺栓孔，比大截面法加固組裝示意圖安裝新輔助材即可。對于增大截面法，工藝相對復雜。增大截面法加固組裝示意圖如圖4 所示，操作流程如下。

圖4 增大截面法加固組裝示意圖

（1）在原主材角鋼21○與外拼接角鋼22○的雙肢上新增螺栓孔，孔徑相同，位置對齊，且與原主材的橫撐接頭錯開。

（2）利用填板24○及緊固螺栓25○將原主材角鋼和外拼接角鋼沿對角固定，如A-A 剖面所示。

（3）在外拼角鋼的變斷面接頭處采用十字形節(jié)點板23○與原主材螺栓連接，最終加固段整體組成十字形截面。

根據(jù)桿塔設計相關標準，需滿足：①填板間距L 不應超過40 ri（ri 為單根角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑），且節(jié)間長度不宜大于3.0 m；②拼接而成的十字形組合構(gòu)件，其兩個側(cè)向支撐點之間的填板數(shù)量不得少于2 個，且沿桿件長度均勻交錯布置；③外拼接加固角鋼變斷面連接處應和原主材接頭處完全錯開，且保留一定接頭距離。

廈門220 kV 李西線增大截面法加固之后的現(xiàn)場圖片如圖5，新舊角鋼之間采用正交錯開的一字型填板螺栓連接，外拼新角鋼接頭處為十字形節(jié)點板，且與原主材接頭錯開，至今運行良好。

圖5 李西線主材加固現(xiàn)場

5 結(jié)論

（1）增設輔助支撐可減小構(gòu)件的計算長度，改變失穩(wěn)方向可增加回轉(zhuǎn)半徑，兩者均提高了構(gòu)件的穩(wěn)定承載力，但是對于ZM2 塔型，仍無法抵抗莫蘭蒂臺風的瞬時風載。

（2）增大截面法通過填板及螺栓將原單角鋼組成十字形雙拼角鋼，ZM2 塔型部分主材應力相比加固前下降幅度達50%以上，可以抵抗的基本風速提高幅度達12%，顯著提高了桿塔的抗風能力。

（3）增大截面法的加固效果較增加輔助支撐更具優(yōu)勢，加固后可抵抗莫蘭蒂臺風V=46.8 m/s 的瞬時風載，建議采用此法對運行多年的桿塔進行原位加固。

（4）增大截面法加固的施工工藝相對復雜，同時需滿足填板間距、數(shù)量及接頭錯開的要求，才能保證良好的加固效果。