摘 要：本研究旨在探究高海拔地區(qū)輸電線路在往復(fù)荷載作用下鐵塔桿件的受力性能問題。研究通過設(shè)計(jì)試件、實(shí)施試驗(yàn)并分析試驗(yàn)結(jié)果，評估輸電鐵塔桿件在往復(fù)荷載作用下的受力性能及其剩余承載力。研究人員以西藏地區(qū)某輸電線路為研究對象，根據(jù)該線路鐵塔桿件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及性能要求，設(shè)計(jì)具有代表性的試件，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬往復(fù)荷載作用。通過測量試驗(yàn)中的變形情況，結(jié)合數(shù)值模擬分析，獲取輸電鐵塔桿件在不同荷載作用下的應(yīng)力分布情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在往復(fù)荷載作用下，輸電鐵塔桿件表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即往復(fù)荷載對輸電鐵塔桿件的影響顯著。本研究的研究成果可以為輸電鐵塔桿件設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，并為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供理論依據(jù)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：往復(fù)荷載；鐵塔桿件；受力分析

中圖分類號：TM 75 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在高海拔地區(qū)，風(fēng)速較高且變化頻繁，輸電鐵塔桿件長期受復(fù)雜的循環(huán)荷載作用。這種惡劣的環(huán)境條件增加了輸電鐵塔桿件疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在這種背景下，研究人員深入研究往復(fù)荷載對輸電鐵塔桿件的具體影響機(jī)制。通過科學(xué)分析驗(yàn)證，為工程設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)支持，保障電力系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行。

1 工程概況

西藏地區(qū)某高海拔輸電線路位于海拔超過4000m的高海拔地區(qū)，冬季寒冷且多風(fēng)，夏季高原紫外線強(qiáng)烈，這些因素對輸電線路的安全性、穩(wěn)定性提出了更高的要求。研究人員調(diào)取該地區(qū)過去的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在冬季極端風(fēng)雪環(huán)境中，輸電鐵塔桿件表面結(jié)冰厚度曾達(dá)到10cm以上，荷載顯著增加。某些鐵塔桿件在這種情況下承受超過1000N/m3的冰雪荷載，導(dǎo)致局部應(yīng)力超過設(shè)計(jì)承受能力，桿件表面出現(xiàn)明顯的裂紋以及變形。為優(yōu)化鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高其抗循環(huán)荷載能力，研究人員在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行電鐵塔桿件試件往復(fù)荷載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行剩余承載力分析，為保障高海拔地區(qū)輸電線路的安全運(yùn)行提供幫助。

2 試件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行輸電鐵塔桿件受力性能試驗(yàn)的過程中，研究人員為了保證試驗(yàn)結(jié)果具有廣泛的適用性，特別選擇實(shí)際使用中常見的兩種不同尺寸的鐵塔桿件以及角鋼截面作為試驗(yàn)的試件材料。在具體實(shí)踐中，第一種試件材料為L50×4的角鋼，其截面寬度為50mm，厚度為4mm；第二種試件材料為L63×5的角鋼，其截面寬度為63mm，厚度為5mm。這兩種角鋼截面尺寸能夠較好地代表實(shí)際應(yīng)用中常見的鐵塔桿件尺寸。

在連接方式選擇方面，研究人員精心挑選了兩種常見的連接方式來進(jìn)行比較和分析，分別是單螺栓連接和雙螺栓連接。單螺栓連接方式模擬了在簡易結(jié)構(gòu)中常見的連接方式，而雙螺栓連接方式則考慮了更高強(qiáng)度以及更穩(wěn)定的連接需求[1]。將這兩種連接方式進(jìn)行比較，研究人員希望能夠評估在高海拔環(huán)境下，不同的連接方式對輸電鐵塔桿件受力特性的影響。

為了進(jìn)一步保證試驗(yàn)結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性，研究人員還特別設(shè)計(jì)了針對試件的長細(xì)比的3種典型條件，長細(xì)比分別為100、120、140。這3種條件涵蓋了在實(shí)際應(yīng)用中常見的輸電鐵塔桿設(shè)計(jì)需求，從較短較厚的試件到較長較細(xì)的試件，反映實(shí)際輸電鐵塔桿件在設(shè)計(jì)與制造中的多樣性。通過這種設(shè)計(jì)，研究人員能夠更全面地了解不同長細(xì)比對鐵塔桿件受力性能的影響，從而為實(shí)際工程應(yīng)用提供更為可靠的參考依據(jù)，試件尺寸見表1。

3 試驗(yàn)實(shí)施

3.1 加載過程

在本研究中，研究人員在試驗(yàn)臺架上安裝試件，保證單螺栓或雙螺栓連接方式正確且固定可靠，模擬實(shí)際鐵塔的裝配以及連接條件（如圖1所示）[2]。

研究人員采用電動(dòng)液壓系統(tǒng)能夠施加往復(fù)荷載，模擬高海拔地區(qū)常見的風(fēng)力和冰雪荷載條件。為了更準(zhǔn)確地反映不同季節(jié)和環(huán)境條件下的變化負(fù)載，將每個(gè)試件的循環(huán)荷載設(shè)定在2000N～5000N。除此之外，研究人員還需要對荷載的振幅和頻率進(jìn)行精確設(shè)定，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。將振幅設(shè)定在±250N～±500N，頻率則設(shè)定在0.5Hz～1Hz[2]。可以根據(jù)具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)需求調(diào)整這些參數(shù)，保證在試驗(yàn)過程中能夠充分模擬真實(shí)的往復(fù)荷載效應(yīng)。

在加載過程中，研究人員使用精密傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對每個(gè)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。這些設(shè)備能夠準(zhǔn)確記錄每個(gè)循環(huán)中的最大應(yīng)力值、最大變形量、可能出現(xiàn)的裂紋位置以及裂紋的擴(kuò)展情況。通過這些詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄，研究人員可以更深入地了解試件在不同荷載條件下的性能表現(xiàn)，從而為高海拔地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料選擇提供科學(xué)依據(jù)，動(dòng)液壓系統(tǒng)施加往復(fù)荷載示例見表2。

3.2 停止條件

在本次研究中，研究人員針對每個(gè)試件，特別設(shè)定了5000～10000次的往復(fù)荷載循環(huán)。這個(gè)設(shè)定的目的是為了模擬試件在實(shí)際運(yùn)行條件下的長期耐久性，從而更準(zhǔn)確地評估其在長期使用中的表現(xiàn)。在試驗(yàn)過程中，研究人員密切監(jiān)視試件的應(yīng)力狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)試件的局部應(yīng)力超過了預(yù)先設(shè)定的安全限制值，就需要立即采取措施停止加載。這種做法旨在保護(hù)試件免受過載破壞，同時(shí)保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。

此外，研究人員還通過監(jiān)測試件的變形情況來評估其安全性。如果試件的變形超出了預(yù)設(shè)的安全范圍，即變形量超過5%，那么研究人員同樣會考慮停止加載。這個(gè)措施是為了防止試件結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的損壞，保證試件在試驗(yàn)過程中的結(jié)構(gòu)完整性。為了全面評估試件在不同季節(jié)和環(huán)境條件下的荷載效應(yīng)，將每個(gè)試件的試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為2周～4周。這個(gè)時(shí)間跨度足夠長，可以模擬在不同環(huán)境條件下的充分荷載效應(yīng)，從而為研究人員提供更為全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

通過這種細(xì)致入微的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的安全措施，研究人員能夠保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和保障試件的安全性，為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 往復(fù)荷載作用下輸電鐵塔桿件試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)過程中，研究人員針對兩種類型桿件的破壞情況進(jìn)行了跟蹤記錄，并拍攝了試驗(yàn)現(xiàn)場圖[3]。

4.1 L50×4截面角鋼

分析L50×4單連接螺栓截面角鋼試件破壞現(xiàn)場可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件端部、跨中區(qū)域出現(xiàn)顯著屈曲與彎扭變形。在初次循環(huán)加載初期，單螺栓連接約束弱，桿件無明顯變形。隨著外加載荷增加，變形逐漸顯現(xiàn)并加劇，峰值時(shí)屈曲變形嚴(yán)重。當(dāng)載荷降低時(shí)，跨中彎扭變形恢復(fù)快，端部恢復(fù)慢。在卸力結(jié)束后，跨中變形恢復(fù)但端部屈曲仍顯著，顯示不可逆破壞。多次循環(huán)加載會使變形加劇，顯示累積損傷效應(yīng)。構(gòu)件長細(xì)比增加會導(dǎo)致跨中變形增加，說明長細(xì)比對變形特性有顯著影響，單連接螺栓截面角鋼試件破壞數(shù)據(jù)見表3。

分析L50×4雙連接螺栓截面角鋼試件破壞現(xiàn)場可以發(fā)現(xiàn)，試件中端部存在顯著的屈曲變形現(xiàn)象。由于雙螺栓連接角鋼構(gòu)件的端部受到螺栓端部的約束加強(qiáng)作用，因此該區(qū)域并未呈現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)跡象。在首次循環(huán)加載階段，雖然端部螺栓出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，但桿件本身并未顯著變形。隨著荷載逐步增加，端部以及構(gòu)件跨中的變形逐漸加劇，直至達(dá)到峰值荷載，屈曲變形現(xiàn)象十分明顯。當(dāng)荷載開始減少時(shí)，構(gòu)件跨中的屈曲變形恢復(fù)速度較快，跨中撓度迅速減少。相比之下，端部屈曲的恢復(fù)并不明顯[4]。當(dāng)卸力階段結(jié)束時(shí)，跨中位置僅有輕微變形，而端部屈曲變形依然嚴(yán)重，表明端部變形的恢復(fù)程度比跨中低，雙連接螺栓截面角鋼試件破壞數(shù)據(jù)見表4。

4.2 L63×5截面角鋼

分析L63×5截面角鋼單連接螺栓截面角鋼試件破壞現(xiàn)場，可以發(fā)現(xiàn)，單螺栓連接構(gòu)件的端部約束性能較弱，端部螺栓出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，螺栓與孔壁之間開始發(fā)生擠壓作用。隨著端部的扭轉(zhuǎn)變形逐漸加劇，構(gòu)件整體發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，使跨中的抗變形能力顯著減弱，跨中變形現(xiàn)象明顯加劇。當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，構(gòu)件的端部、跨中區(qū)域均出現(xiàn)屈曲變形現(xiàn)象。在卸力階段，角鋼構(gòu)件的恢復(fù)速度逐漸放緩，直至位移荷載恢復(fù)到初始位移狀態(tài)。

分析L63×5截面角鋼雙連接螺栓截面角鋼試件破壞現(xiàn)場，可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件跨中出現(xiàn)彎扭與屈曲變形現(xiàn)象，同時(shí)，其端部局部也存在屈曲變形的情況。盡管對螺栓端部約束進(jìn)行了加強(qiáng)處理，有效防止了構(gòu)件端部扭轉(zhuǎn)情況，但跨中區(qū)域仍然出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在首次循環(huán)加載過程中，構(gòu)件端部跨中的變形逐漸累積并擴(kuò)大。當(dāng)加載至峰值荷載時(shí)，端部、跨中的屈曲變形尤為嚴(yán)重，呈現(xiàn)顯著的變形特征。進(jìn)入卸力階段初期，跨中位置的屈曲變形得到了較快恢復(fù)，而端部的屈曲變形恢復(fù)程度并不顯著。隨著卸力階段持續(xù)進(jìn)行，角鋼構(gòu)件的恢復(fù)速度逐漸減緩，直至位移荷載回歸至初始位移狀態(tài)。當(dāng)卸力階段結(jié)束時(shí)，跨中位置雖然存在一定程度的殘余變形，但與端部相比，其屈曲變形程度較輕。經(jīng)過多次循環(huán)加載，雙螺栓連接角鋼構(gòu)件的端部、跨中變形呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

5 往復(fù)荷載作用下輸電鐵塔桿件剩余承載力分析

5.1 桿件剩余承載力分析

在本次研究中，工作人員對每一次循環(huán)中的試件剩余承載力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，匯總見表5。

分析表5可以發(fā)現(xiàn)，第一次循環(huán)加載時(shí)，試件T1隨著循環(huán)次數(shù)增加，剩余承載力逐漸下降。在第五次循環(huán)加載后，剩余承載力降至26.27%，衰減占比為46.68%。第一次循環(huán)加載時(shí)，試件T2極限承載力為77.85%，衰減占比為100%。在第五次循環(huán)加載后，剩余承載力降至15.98%，衰減占比僅為18.04%。試件T2在多次循環(huán)加載過程中，剩余承載力衰減了81.96%，衰減程度非常嚴(yán)重。第一次循環(huán)加載時(shí)，試件T3極限承載力為69.83%，衰減占比為100%。在第五次循環(huán)加載后，剩余承載力降至34.15%，衰減占比為50.14%。試件T3在多次循環(huán)加載過程中，剩余承載力衰減了49.86%。第一次循環(huán)加載時(shí)，試件T4極限承載力為39.26%，衰減占比為100%。在第五次循環(huán)加載后，剩余承載力降至33.17%，衰減占比為80.46%，試件T4在多次循環(huán)加載過程中，剩余承載力衰減了19.54%。

由此可以看出，不同試件的初始極限承載力存在較大差異。試件T2的初始極限承載力最高，而試件T4的初始極限承載力最低。該結(jié)果與試件的材料、結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。在多次循環(huán)加載過程中，各試件的剩余承載力均呈下降趨勢。其中，試件T2的衰減程度最為嚴(yán)重，從第一次循環(huán)的77.85%降至第五次的15.98%。試件T4的衰減程度相對較小，但仍表現(xiàn)出明顯的下降趨勢?；谏鲜龇治觯芯咳藛T得出結(jié)論：所有試件在多次循環(huán)加載后的剩余承載能力都明顯下降，驗(yàn)證了試件在疲勞加載下的損傷累積效應(yīng)。

5.2 剛度變化

除了剩余承載力外，剛度變化也會對輸電鐵塔桿件的強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。因此，研究人員針對試件進(jìn)行了剛度試驗(yàn)，觀察在循環(huán)荷載的影響下，桿件的剛度變化規(guī)律，見表6。

分析表6可以發(fā)現(xiàn)，試件T1在循環(huán)中的剛度比值波動(dòng)較小，整體表現(xiàn)相對穩(wěn)定，沒有明顯的趨勢性變化。試件T2在第一次與第二次循環(huán)后剛度比值變化較小，但隨后的循環(huán)中呈現(xiàn)顯著降低趨勢。試件T3的剛度比值變化相對較小，尤其在第二次與第三次循環(huán)中相對穩(wěn)定[5]。而試件T4在循環(huán)加載過程中剛度比值急劇下降，尤其是在第四次與第五次循環(huán)中呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢。總體來說，大多數(shù)試件在多次循環(huán)加載后，剛度比值有所減少，這與剩余承載能力的下降趨勢一致，證明桿件在循環(huán)加載中發(fā)生變形。

6 結(jié)論

為保證高海拔地區(qū)輸電鐵塔桿件能在惡劣環(huán)境下能夠穩(wěn)定持續(xù)工作，研究人員通過試驗(yàn)，分析在往復(fù)荷載作用下，桿件的受力性能，并得出以下結(jié)論。1）無論是L50×5型號還是L63×5的單螺栓連接角構(gòu)件，在往復(fù)荷載作用下，會出現(xiàn)整體彎扭以及端部屈曲等破壞現(xiàn)象。而雙螺栓連接角破壞則主要表現(xiàn)為整體扭曲，與單螺栓連接角相比，雙螺栓連接角桿件端部的承載力更強(qiáng)。2）每次循環(huán)后，試件的剩余承載力具有離散性特點(diǎn)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，試件剩余承載力逐漸降低。

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