吳慶華， 馮德奎

(中南電力設(shè)計(jì)院， 武漢 430071)

1 概述

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)一直高速發(fā)展。1980年，建成我國(guó)第一條500kV平武線；1988年，建成我國(guó)第一條±500kV葛上直流輸電線路；2009年初，建成我國(guó)第一條1000kV晉東南-南陽(yáng)-荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范線路。目前，超過(guò)十萬(wàn)公里的500kV輸電線路成為我國(guó)輸電主干網(wǎng)絡(luò)，特高壓輸電線路建設(shè)亦方興未艾，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)已達(dá)到一個(gè)新的水平。

輸電鐵塔是導(dǎo)、地線的堅(jiān)強(qiáng)載體。多年來(lái)，高壓輸電工程中使用了多種塔型。從多數(shù)情況來(lái)看，單回路可分為無(wú)窗口塔型和有窗口塔型兩種。無(wú)窗口塔型多用于110kV以下電壓等級(jí)，如“上字型”鐵塔；有窗口塔型多用于220kV以上電壓等級(jí)，如“貓頭型”、“酒杯型”鐵塔。迄今為止，經(jīng)過(guò)不斷的研究和實(shí)踐，貓頭塔，酒杯塔已廣泛運(yùn)用于500kV及其他電壓等級(jí)線路中，見(jiàn)圖1，圖2。這兩種塔型的塔頭有一個(gè)共同特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上屬于鉸拱模型，都有看似‘薄弱’的K型節(jié)點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電氣間隙圓的控制情況，有時(shí)將外曲臂設(shè)計(jì)成直線型，有時(shí)設(shè)計(jì)成折線型。兩種型式均運(yùn)行良好，沒(méi)有發(fā)生因設(shè)計(jì)原因而引起的K節(jié)點(diǎn)破壞事故。第一個(gè)采用K節(jié)點(diǎn)的高壓輸電工程年代久遠(yuǎn)，已無(wú)從考證。不過(guò)，首次采用酒杯塔的輸電工程——500kV平武線已安全運(yùn)行近30年。第一個(gè)采用貓頭塔的500kV超高壓輸電工程——葛雙Ⅱ回已安全運(yùn)行20多年。截止到2008年年底，全國(guó)500kV及以下輸電線路共有約36萬(wàn)km，保守估計(jì)，共有約50萬(wàn)基貓頭塔和酒杯塔在運(yùn)行中。

圖1 某500kV輸電工程酒杯塔頭

圖2 某220kV輸電工程貓頭塔頭

結(jié)構(gòu)上屬于鉸拱模型的K節(jié)點(diǎn)輸電塔在垂直負(fù)荷的作用下，K節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定量的結(jié)構(gòu)性位移。理論上一定限度內(nèi)的位移對(duì)結(jié)構(gòu)不影響結(jié)構(gòu)承載力，但視覺(jué)上對(duì)人們會(huì)產(chǎn)生心理上的影響。特高壓工程同時(shí)采用了酒杯塔和貓頭塔。由于塔頭尺寸大，位移也大，特別是外曲臂設(shè)計(jì)成直線的貓頭塔在K節(jié)點(diǎn)處發(fā)生視覺(jué)上的明顯橫向位移，引起了人們對(duì)其的重視。在發(fā)現(xiàn)特高壓鐵塔位移問(wèn)題之后，具有相同結(jié)構(gòu)型式的超高壓輸電線路鐵塔的安全性也引起了人們的關(guān)注。

因此，有必要對(duì)K節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行研究，討論其產(chǎn)生的原因、調(diào)查已有線路運(yùn)行狀況、分析位移對(duì)鐵塔承載力和安全的影響。由于500kV及以下電壓等級(jí)輸電塔塔頭尺寸相對(duì)不大，K節(jié)點(diǎn)位移不明顯，以前沒(méi)有引起過(guò)多關(guān)注，研究的很少。本文嘗試對(duì)500kV及以下電壓等級(jí)輸電塔K節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，得出一些有益結(jié)論供今后設(shè)計(jì)參考。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

筆者隨機(jī)選擇了兩條已運(yùn)行多年的500kV線路作為研究對(duì)象。一條是500kV葛雙II回，1基貓頭塔，已安全運(yùn)行20年；另一條是500kV興咸I回，2基酒杯塔，已安全運(yùn)行3年。

這兩條線路中的酒杯塔和貓頭塔塔頭都是K節(jié)點(diǎn)形式，外曲臂都是直線型。現(xiàn)場(chǎng)多視角地通過(guò)肉眼觀察，并未發(fā)現(xiàn)K節(jié)點(diǎn)有任何異常。同時(shí)，利用全站儀對(duì)3基鐵塔的K節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行了精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)都存在位移現(xiàn)象，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 500kV鐵塔K節(jié)點(diǎn)位移實(shí)測(cè)值 單位：mm

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，隨機(jī)抽取的500kV線路中的酒杯塔和貓頭塔K節(jié)點(diǎn)都發(fā)生了橫向位移。其中，貓頭塔導(dǎo)線呈三角形排列，尺寸較小，位移也相對(duì)較小；酒杯塔導(dǎo)線三相并列，塔頭比貓頭塔大，外曲臂較長(zhǎng)， K節(jié)點(diǎn)橫向位移值相對(duì)較大。但是，與同塔型的特高壓鐵塔相比，位移相對(duì)較小，視覺(jué)上不明顯。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些運(yùn)行多年的鐵塔狀態(tài)良好。這說(shuō)明，內(nèi)、外曲臂在K節(jié)點(diǎn)處的有限位移并未降低鐵塔的承載能力，也不會(huì)影響安全運(yùn)行。

3 理論分析

本文選取某一運(yùn)行多年的500kV輸電線路中的酒杯塔zb421進(jìn)行有限元分析(見(jiàn)圖3)。采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，利用ANSYS作為研究平臺(tái)，對(duì)塔頭進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，研究6種工況下K節(jié)點(diǎn)位移對(duì)其極限承載力的影響，見(jiàn)表2。

本文重點(diǎn)研究K節(jié)點(diǎn)及內(nèi)、外曲臂，表2中的6種工況是內(nèi)、外曲臂的控制工況。內(nèi)、外曲臂采用beam188梁?jiǎn)卧M，且采用角鋼截面形式以考慮其扭轉(zhuǎn)，其余桿件采用link8桿單元模擬。為考慮大位移產(chǎn)生的二階效應(yīng)，分析時(shí)采用大擾度彈塑性理論。取內(nèi)、外曲臂的1/1000作為初始擾度以考慮初始缺陷對(duì)桿件極限承載力的影響。鑒于在以上6種工況荷載開(kāi)始作用時(shí)，鐵塔K節(jié)點(diǎn)在塔頭及導(dǎo)地線自重作用下已發(fā)生相對(duì)位移，故需要考慮K節(jié)點(diǎn)在位移已發(fā)生的情況下結(jié)構(gòu)的極限承載力。本文通過(guò)模擬重力場(chǎng)，考慮導(dǎo)地線重量和鐵塔重量作用下，K節(jié)點(diǎn)在發(fā)生位移后，6種工況下的受力和位移情況。

圖3 某500kV輸電工程酒杯塔zb421三維有限元模型

表2 本文所研究的6種工況

本文首先進(jìn)行屈曲分析，發(fā)現(xiàn)在表2中的6種工況作用下，全塔最先發(fā)生破壞的地方都不是K節(jié)點(diǎn)及曲臂?？梢?jiàn)K節(jié)點(diǎn)并不是實(shí)際上最薄弱的地方。

然后在各種工況作用下，專門(mén)對(duì)塔頭進(jìn)行穩(wěn)定分析，找出K節(jié)點(diǎn)及曲臂的破壞荷載，見(jiàn)表3。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最終破壞處大都在外曲臂角鋼。

表3 曲臂破壞時(shí)的破壞荷載

既然K節(jié)點(diǎn)在荷載作用下必然會(huì)發(fā)生橫向位移，那么將zb421塔的上下曲臂連接處改為桁架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，其受力與位移又將如何呢？

計(jì)算分析表明：①修改后的結(jié)構(gòu)不再是雙鉸拱模型，結(jié)構(gòu)的受力模式發(fā)生變化。②桁架結(jié)構(gòu)并不能完全消除外曲臂的位移和K節(jié)點(diǎn)的橫向位移，且曲臂受力并沒(méi)有明顯改善。③修改后曲臂正面的輔助材由原來(lái)的零桿全部變?yōu)槭芰Σ?，?dǎo)致塔重顯著增加。經(jīng)初步計(jì)算，單基塔理論重量增加1300kg以上，占單基塔重的6.27%以上，這還不包括節(jié)點(diǎn)板及螺栓重量的增加。一般情況下，直線塔在整條線路中的用量是最大的，顯然對(duì)整個(gè)工程來(lái)講是非常不經(jīng)濟(jì)的。4.500kV及以下電壓等級(jí)線路中，K節(jié)點(diǎn)橫向位移本來(lái)就不大。加強(qiáng)K節(jié)點(diǎn)是完全沒(méi)有必要的。

圖4 zb421塔的K節(jié)點(diǎn)改為桁架后示意圖

4 鐵塔真型試驗(yàn)分析

我國(guó)第一條500kV交流平武線于設(shè)計(jì)過(guò)程中，在良鄉(xiāng)試驗(yàn)站進(jìn)行鐵塔真型試驗(yàn)。筆者也對(duì)當(dāng)年的試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)已注意到K節(jié)點(diǎn)的位移問(wèn)題。真型塔試驗(yàn)的是直線小轉(zhuǎn)角塔ZJ10，塔頭單線圖見(jiàn)圖5。鐵塔一共進(jìn)行了6種工況的試驗(yàn)，包括安裝導(dǎo)線、地線張力差、導(dǎo)線張力差、正常覆冰，正常90度大風(fēng)及90度大風(fēng)超載。試驗(yàn)取得圓滿成功。

圖5 500kV平武線直線小轉(zhuǎn)角ZJ10塔頭圖

根據(jù)理論分析，鐵塔剛組裝時(shí)K節(jié)點(diǎn)的位移是肯定存在的，但這個(gè)位移太小或認(rèn)為無(wú)關(guān)緊要，總之當(dāng)時(shí)并未記錄。當(dāng)鐵塔試驗(yàn)加荷時(shí)，工作人員已發(fā)現(xiàn)并正常記錄了K節(jié)點(diǎn)的位移大小。

根據(jù)當(dāng)時(shí)記載的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，前5種工況加載到100%設(shè)計(jì)荷載，然后卸載到零，發(fā)現(xiàn)K節(jié)點(diǎn)存在單側(cè)17～21mm的橫向位移(向外側(cè)鼓曲)；90度大風(fēng)超載到170%，然后卸載到零，發(fā)現(xiàn)K節(jié)點(diǎn)存在28mm的橫向位移。這說(shuō)明500kV鐵塔的K節(jié)點(diǎn)存在位移，不過(guò)與1000kV鐵塔相比，位移值要小得多。試驗(yàn)也驗(yàn)證了K節(jié)點(diǎn)位移并未降低鐵塔的承載力。

圖6 平武線ZJ10塔在90度大風(fēng)下的位移曲線圖

圖7 平武線ZJ10塔在正常覆冰下的位移曲線圖

ZJ10塔全高38m，其中14.5m～33m高度之間為上、下曲臂段，K節(jié)點(diǎn)在26.5m高度上。由圖6可以看出，在90度大風(fēng)作用下，加載100%和170%的曲線都比較平滑，不同高度的位移是逐漸有規(guī)律增加，未出現(xiàn)奇異拐點(diǎn)。在正常覆冰工況下，其位移亦如此，見(jiàn)圖7。因此，曲臂及K節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的受力及位移與整塔相比是協(xié)調(diào)的。從視覺(jué)上看起來(lái)很‘薄弱’的曲臂及K節(jié)點(diǎn)能有效傳遞荷載，滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定要求，并未因K節(jié)點(diǎn)發(fā)生橫向位移而降低鐵塔承載力。

ZJ10塔通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用于該工程，安全運(yùn)行至今。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以得出如下結(jié)論：

⑴ 理論計(jì)算和真型試驗(yàn)均表明，酒杯塔、貓頭塔K節(jié)點(diǎn)位移是正常的，對(duì)鐵塔承載力沒(méi)有影響。以往運(yùn)行多年的線路，也未發(fā)現(xiàn)鐵塔因K節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞的現(xiàn)象。對(duì)于500kV鐵塔，K節(jié)點(diǎn)是一種安全和適合的設(shè)計(jì)方案。

⑵ 與1000kV線路鐵塔相比，500kV及以下電壓等級(jí)線路鐵塔塔頭尺寸小，K節(jié)點(diǎn)位移相對(duì)較小，視覺(jué)上不明顯。

⑶ 對(duì)500kV及以下電壓等級(jí)輸電線路鐵塔來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)K節(jié)點(diǎn)是完全沒(méi)有必要的。酒杯塔、貓頭塔都是鉸拱模型，K節(jié)點(diǎn)是鉸接點(diǎn)。如果加強(qiáng)K節(jié)點(diǎn)，不僅改變了鉸拱模型和其受力模式，無(wú)益于曲臂受力，而且使得塔重明顯增加。

⑷ 相關(guān)規(guī)范中對(duì)桿件位移的限值規(guī)定(1/750,1/1000)不適用于對(duì)K節(jié)點(diǎn)橫向位移的要求。節(jié)點(diǎn)的彈性位移并不等同于桿件初彎引起的P-Δ效應(yīng)，不會(huì)降低桿件和結(jié)構(gòu)的極限承載力。

[1]DL/T5154-2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GBJ233-90，110-500kV架空電力線路施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]500kV平武線送電線路工程ZJ10直線小轉(zhuǎn)角塔試驗(yàn)報(bào)告[R].電力工業(yè)部中南電力設(shè)計(jì)院，1980.

[5]宋天霞.非線性結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算[M].武漢，華中理工大學(xué)出版社，1996.

[6]趙滇生.輸電塔架結(jié)構(gòu)的理論分析與受力性能研究[D].杭州，浙江大學(xué)，2003.

[7]陳精一，蔡國(guó)忠.電腦輔助工程分析ANSYS使用指南[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.