輸電線路桿塔受力分析研究現(xiàn)狀

王身麗　嚴(yán)利雄　陳典麗　劉曉華　付?！⊥踔靖摺『！●麊獭∈嗨?/p>

摘 要：我國(guó)電網(wǎng)的快速發(fā)展和電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)輸電桿塔的承載力和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。通過對(duì)輸電桿塔的受力研究，可以更好地分析了解桿塔的整體受力情況，避免不必要的事故發(fā)生。目前，通過ANSYS進(jìn)行有限元分析，分析其靜力特性，能夠比較準(zhǔn)確地得出各種情況下的塔體受力情況，為鐵塔設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輸電桿塔；有限元分析；靜力特性

中圖分類號(hào)：TM753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0071-02

Abstract： With the rapid development of the power grid and the continuous improvement of the voltage level in our country， the demand for the bearing capacity and stability of the transmission tower is getting higher and higher. Through the study of the force on the transmission tower， we can better analyze and understand the overall force of the tower， and avoid unnecessary accidents. At present， the finite element analysisof its static characteristics through ANSYS can be more accurate in a variety of circumstances of the tower force situation， thus proving a reliable basisfor the tower design and risk prevention.

Keywords： transmission tower； finite element analysis； static characteristics

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速的發(fā)展，人們對(duì)電能的使用情況也越來(lái)越大，對(duì)用電能質(zhì)量也越來(lái)越高。但由于我國(guó)的地域跨度大，能源分布不均，所以在整個(gè)輸電線建設(shè)方面要求極高。

輸電桿塔是輸電線路中的一個(gè)重要部分，它主要用來(lái)支撐線路或防止線路與其他導(dǎo)體接觸產(chǎn)生接地故障，保證在輸電環(huán)節(jié)中能夠把電能安全、可靠的運(yùn)輸給各個(gè)用戶。近年來(lái)，由于“西電東送、南北互動(dòng)”發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，形成了我國(guó)輸電線路跨度大的特點(diǎn)，有時(shí)線路經(jīng)過地勢(shì)險(xiǎn)峻的山川、氣候條件惡劣的時(shí)候，輕則會(huì)導(dǎo)致桿塔變得彎曲，嚴(yán)重的話會(huì)引起斷線甚至倒塔。當(dāng)桿塔受到一定的外力作用情況下，可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，但這種形變是難以觀測(cè)的，所以就需要通過一些應(yīng)力設(shè)備對(duì)其變形情況進(jìn)行測(cè)量，以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)確定桿塔的受力情況。

2 輸電桿塔受力分析及研究現(xiàn)狀

八十年代中期，隨著國(guó)內(nèi)第一代輸電鐵塔應(yīng)力計(jì)算軟件研發(fā)成功，使我國(guó)在輸電鐵塔分析方面進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。此計(jì)算軟件只需要輸入相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和桿的必要信息，就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，極大地提高工作效率。

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外對(duì)輸電桿塔受力分析所采用的主要方法是有限元分析法（效果如下圖所示）分析其應(yīng)力特性。

2010年中國(guó)電力科學(xué)研究院與西安建筑科技大學(xué)合作，采用有限元分析方法對(duì)銹蝕的鋼結(jié)構(gòu)輸電桿塔進(jìn)行分析。它通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)廣西220kV輸電塔進(jìn)行試驗(yàn)，并收集塔的自然腐蝕數(shù)據(jù)，結(jié)合輸電塔機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用電力建設(shè)研究院自主研發(fā)的道亨轉(zhuǎn)換ANSYS命令流建立輸電塔的有限元模型。根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)》相關(guān)規(guī)定，考慮在0°，45°、90°大風(fēng)（風(fēng)速30m/s），覆冰荷載（風(fēng)速10m/s）以及斷線荷載（風(fēng)速10m/s）組合情況下，利用ANSYS軟件分析功能，得出并整理破壞桿件情況，然后通過靜力分析輸電塔的某些部件，發(fā)現(xiàn)有些橫擔(dān)腐蝕的比較嚴(yán)重，它的可靠性不再符合國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了輸電塔的正常使用，因此需要對(duì)某些必要的材料進(jìn)行更換。

此外，他們還對(duì)銹蝕構(gòu)件破壞原因進(jìn)行分析，通過比較銹蝕前幾何性質(zhì)和銹蝕后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼銹蝕2.2mm后，彈性彎扭屈曲荷載下降了百分之四十，得出截面損失造成構(gòu)件彎扭屈曲荷載下降是使輸電桿塔銹蝕后構(gòu)件承載力降低的主要原因。

中國(guó)電力科學(xué)研究院針對(duì)2013年陜北地區(qū)的某330kV輸電線路倒塔事故進(jìn)行靜力分析，線路設(shè)計(jì)風(fēng)速為30m/s（15m基準(zhǔn)高），分析時(shí)按90°、60°、45°三個(gè)風(fēng)向角計(jì)算風(fēng)荷載，全塔采用統(tǒng)一的風(fēng)振系數(shù)，然后對(duì)不同編號(hào)的進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)按設(shè)計(jì)風(fēng)速和實(shí)際檔距計(jì)算鐵塔的受力時(shí)，45°大風(fēng)時(shí)，各種編號(hào)的鐵塔未出現(xiàn)應(yīng)力超限情況，若按實(shí)測(cè)最大風(fēng)速和實(shí)際檔距計(jì)算，各個(gè)編號(hào)的塔受力情況不相同，除了編號(hào)為35的塔外，其他剩余的塔都承受巨大的風(fēng)載，然后進(jìn)一步對(duì)塔線模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)際最大風(fēng)速達(dá)到34.2m/s，超過設(shè)計(jì)風(fēng)速21%時(shí)會(huì)造成鐵塔發(fā)生倒塌事故。

北京電力建設(shè)設(shè)計(jì)研究院計(jì)算分析了我國(guó)第一基1000kV交流特高壓輸電線路實(shí)試塔ZM2，對(duì)此塔進(jìn)行線性與幾何非線性靜力分析與動(dòng)力特性分析。采用的模型是梁-桿混合有限元模型，控制工況為60°大風(fēng)，通過有限元分析，并結(jié)合真型塔實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此塔的設(shè)計(jì)是合理的，并進(jìn)行模擬結(jié)構(gòu)荷載行為分析，得出試驗(yàn)塔結(jié)構(gòu)性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求，最后分析發(fā)現(xiàn)ZM2鐵塔的塔身瓶口是其薄弱點(diǎn)，應(yīng)該加強(qiáng)這一部分的設(shè)計(jì)分析。

在青海省電網(wǎng)設(shè)計(jì)院，利用ANSYS有限元分析軟件分析輸電桿塔鋼架模型和桁梁混合模型靜態(tài)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性，并且利用ANSYS軟件同時(shí)對(duì)模型在各種工況下的靜態(tài)強(qiáng)度和特征值屈曲分析。分析表明，剛架模型最大綜合位移、最大綜合應(yīng)力的變化情況與桁梁混合模型基本相同，而且都發(fā)生在大風(fēng)（90°）工況下。

文獻(xiàn)[1]研究在覆冰荷載作用下，輸電桿塔的失效模式及其體系可靠度。它通過以覆冰厚度為控制量，獲取輸電桿塔的失效模式和覆冰厚度，然后通過數(shù)值計(jì)算不平衡張力，使得輸電桿塔的極限覆冰厚度接近其設(shè)計(jì)覆冰厚度，通過隨機(jī)有限元方法獲取失效模式上各個(gè)單元的極限狀態(tài)方程，然后逐步等效線性獲得失效模式的極限狀態(tài)方程。在文獻(xiàn)[2]中，研究了順風(fēng)荷載和側(cè)風(fēng)風(fēng)荷載共同作用下輸電桿塔塔的主要失效模式及其基本風(fēng)壓，通過建立空間桁架有限元模型，模擬施加順風(fēng)和橫風(fēng)荷載，獲得輸電桿塔失效模式，并用數(shù)值算例比較橫風(fēng)荷載對(duì)輸電桿塔的主要失效模式及其基本風(fēng)壓影響。文獻(xiàn)[3]利用ANSYS對(duì)220kV雙回路緊湊型轉(zhuǎn)角塔建立梁桁混合模型，按真型試驗(yàn)方案進(jìn)行加載并求解靜力，然后仿真出的結(jié)果與實(shí)際中得到的鐵塔構(gòu)件位移值和應(yīng)力結(jié)果對(duì)比，判斷所見模型是否可靠。文獻(xiàn)[4]利用ANSYS建立1000kV特高壓輸電桿塔有限元模型，對(duì)采礦區(qū)桿塔發(fā)生沉降、位移、傾斜后，分析其桿件內(nèi)力變化，確定不同工況下的基礎(chǔ)變形值。結(jié)果表明，在90°、60°大風(fēng)、10mm覆冰工況下，60°大風(fēng)情況下1000kV輸電桿塔的基礎(chǔ)沉降、位移、傾斜值最小。

3 研究目前存在的問題

我國(guó)的特高壓輸電線路的不斷建設(shè)與完善，標(biāo)志著我國(guó)輸電技術(shù)發(fā)展又一次重大的飛躍，輸電線路的安全運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全，輸電桿塔是高壓和特高壓線路的重要支撐物，一旦其結(jié)構(gòu)遭到破壞，將會(huì)引起災(zāi)難性事故。因此，對(duì)輸電桿塔受力分析及其重要。

通過本文對(duì)輸電桿塔受力分析研究現(xiàn)狀分析，可歸納為以下四點(diǎn)：

（1）風(fēng)荷載，冰荷載和其它突發(fā)性荷載是危機(jī)輸電線路安全的主要因素，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注。然而，由于近年來(lái)極端天氣的頻繁發(fā)生，輸電桿塔上各部件會(huì)遭到不同程度的破壞，危及到整個(gè)桿塔的安全。如何在不過度增加塔架重量的基礎(chǔ)上，在常規(guī)負(fù)荷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上改善某些極端條件下的施工條件，將是未來(lái)輸電桿塔設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。

（2）現(xiàn)研究階段，桿塔分析多采用空間桁架系統(tǒng)模型和靜態(tài)計(jì)算方法，并且可靠性理論已反映在設(shè)計(jì)規(guī)范中。但是，實(shí)際中桿塔始終處于受力狀態(tài)。對(duì)此，如何更加有效、合理地考慮桿塔部件的動(dòng)力特性和動(dòng)力效應(yīng)對(duì)桿塔的正常服役是輸電線路研究的重要方向。

（3）目前線性和非線性動(dòng)態(tài)有限元分析方法也是比較常見的分析方法，成為驗(yàn)證輸電線路整體安全性的有效方法。

（4）雖然在服役之前，通過電和非電測(cè)試驗(yàn)證被認(rèn)為是反映輸電塔和線路系統(tǒng)機(jī)械特性的更準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)的方法，但真實(shí)的測(cè)試價(jià)格太昂貴，需要開發(fā)簡(jiǎn)化的模型相似理論。測(cè)試驗(yàn)證方法不能廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外分析輸電塔受力情況大多采用的ANSYS有限元分析，實(shí)際中通過理論研究，發(fā)現(xiàn)與ANSYS分析情況結(jié)果一致，說明運(yùn)用有限元計(jì)算能夠比較準(zhǔn)確地反映出塔體的受力特征和受力情況，從而為塔的檢修、維護(hù)提供了比較可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]熊鐵華，梁樞果，鄒良浩.風(fēng)荷載下輸電鐵塔的失效模式及其極限荷載[J].工程力學(xué)，2009，26（12）：100-104+111.

[3]龔靖，王永益，毛雨，等.緊湊型輸電鐵塔靜力性能研究[J].水電能源科學(xué)，2011，29（12）：167-169.

[4]楊風(fēng)利，楊靖波，韓軍科，等.煤礦采空區(qū)基礎(chǔ)變形特高壓輸電塔的承載力計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（01）：100-106.

[5]彭家寧，湯濤.基于ANSYS輸電鐵塔覆冰屈曲分析[J].廣西電力，2012，35（05）：49-52.

[6]肖琦，周凌風(fēng)，蔡景素，等.緊湊型窄基輸電塔ANSYS建模及動(dòng)力特性分析[J].水電能源科學(xué)，2011，29（02）：167-168+186.

[7]孟遂民，楊 ，康渭鏵，等.基于ANSYS的輸電鐵塔試驗(yàn)仿真研究[J].水電能源科學(xué)，2011，29（01）：142-145.

[8]陳祺，王新芳，文明.輸電鐵塔ANSYS建模及有限元分析[J].山西建筑，2009，35（20）：60-62.

[9]張軒.基于應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的鐵塔結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)研究[D].華北電力大學(xué)，2016.

[10]史彩君.通信鐵塔有限元設(shè)計(jì)及桿件應(yīng)力分析[D].河北大學(xué)，2006.