(國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 石柱縣供電分公司，重慶 409100)

鐵塔作為輸電線路的重要組成部件，其安全可靠性直接影響著整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。隨著電力網(wǎng)絡(luò)的日益擴(kuò)大，在一些極端天氣條件下，鐵塔倒塌事故時(shí)有發(fā)生。因此，研究鐵塔的力學(xué)性能具有必要的理論意義和使用價(jià)值。因?yàn)殍F塔的實(shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范中以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以鐵塔的荷載和材料強(qiáng)度為設(shè)計(jì)值進(jìn)行校驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法存在一些弊端。實(shí)踐表明，這種方法只能滿足基本的設(shè)計(jì)需要，在復(fù)雜的環(huán)境下，將與實(shí)際情況產(chǎn)生較大差距。

1 模型建立方法和單位制式

1.1 模型建立方法

鐵塔的有限元模型采用自下而上的建模方法，首先建立鐵塔鐵腿部分的關(guān)鍵點(diǎn)，然后把關(guān)鍵點(diǎn)連接成線。其基本步驟如下：

1)確定鐵塔的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)；

2)定義鐵塔中各個(gè)單元的各項(xiàng)參數(shù)和材料特性；

3)將關(guān)鍵點(diǎn)連接成線，并確定線的單元屬性。

1.2 單元類型選取

本文在有限元軟件ANSYS中建立貓頭塔有限元模型時(shí)，采用桁架混合模型的方式。鐵塔主材、橫鋼材和斜鋼材選取梁?jiǎn)卧狟EAM188來(lái)模擬，桿單元選取LINK180來(lái)模擬。建立的鐵塔模型如圖1中的(a)、(b)所示。

2 邊界條件及荷載的施加

在有限元軟件中分析，邊界條件和荷載是否合理關(guān)乎著分析結(jié)果的可靠性和正確性。對(duì)鐵塔而言，受力情況與氣象條件有極大的關(guān)系，本文中主要考慮最大風(fēng)速和最大覆冰兩種極端氣象條件下鐵塔的受力情況，再根據(jù)我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定計(jì)算該種氣象條件下風(fēng)荷載和覆冰荷載的大小。同時(shí)，鐵塔所受的荷載還包括鐵塔和架空線自身的質(zhì)量及鐵塔兩端架空線的不平衡張力。

圖1 貓頭塔有限元模型

2.1 風(fēng)荷載

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)壓和風(fēng)速間具有以下關(guān)系：

(1)

式中：w為作用在單位面積上的風(fēng)荷載，kN / m2；r為單位體積內(nèi)的空氣質(zhì)量，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，r=0.012 kN/m3；g為重力加速度，一般取g=9.8 m/s2；v為風(fēng)速，m/s。

總風(fēng)壓w是由平均風(fēng)壓及脈動(dòng)風(fēng)壓兩部分組成

(2)

平均風(fēng)壓可由平均風(fēng)速直接求得，但脈動(dòng)風(fēng)壓不僅取決于脈動(dòng)風(fēng)速，還與平均風(fēng)速有關(guān)系。

計(jì)算作用于結(jié)構(gòu)表面上的風(fēng)壓，不僅要考慮平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速，而且還要考慮結(jié)構(gòu)物表面的情況。為了更準(zhǔn)確地反映各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)靜力風(fēng)荷載的影響，在式(2)的基礎(chǔ)上，我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際計(jì)算風(fēng)荷載的靜力風(fēng)壓為

(3)

式中：w0為基本風(fēng)壓；μr為重現(xiàn)期的調(diào)整系數(shù)；μs為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；μz為風(fēng)壓的高度變化系數(shù)。

2.2 覆冰荷載

對(duì)于導(dǎo)線覆冰增長(zhǎng)過(guò)程的模型建立在導(dǎo)線的流體力學(xué)中還存在一定差異，鐵塔構(gòu)件以角鋼為主，與比較常用的圓柱形覆冰模型有所不同，圓柱形覆冰模型的覆冰過(guò)程主要取決于冰密度的增長(zhǎng)，對(duì)角鋼而言，其單位面積的覆冰荷載為

Q=0.6a2γb

(4)

式中：Q為單位面積上的覆冰的荷載，N/m2；b為表面的覆冰厚度，m；γ為單位體積覆冰質(zhì)量，N/m3；a2為覆冰厚度隨高度變化的系數(shù)。

2.3 架空線的荷載

架空線荷載主要有自重荷載和不平衡張力荷載，自重荷載由自身質(zhì)量引起，其大小不受氣象條件的影響，計(jì)算公式為

G=qg

(5)

式中：q為架空線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，一般取g=9.8 m/s2。

鐵塔架空線不平衡張力大小與氣象變化條件和線路運(yùn)行情況有一定關(guān)聯(lián)，在不同氣象條件下架空線的應(yīng)力有一定區(qū)別。根據(jù)已知的架空線應(yīng)力和狀態(tài)方程可以得到其他氣象條件下導(dǎo)線的應(yīng)力，見式(6)，鐵塔兩端架空線應(yīng)力值差再乘以鐵塔導(dǎo)線截面積，就可以得到鐵塔上不平衡張力：

(6)

本文中，風(fēng)荷載根據(jù)不同高度的風(fēng)壓系數(shù)、風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值和風(fēng)載分配系數(shù)，分為8段分別換算為等效靜力風(fēng)荷載，加載在鐵塔的不同高度的8段上，鐵塔分段圖和荷載加載圖如圖2和圖3所示。

圖2 鐵塔風(fēng)載分段圖

圖3 鐵塔荷載加載圖

3 分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示，貓頭塔靜力學(xué)分析在最大風(fēng)條件下，最大位移發(fā)生在水平方向，最大位移處在貓頭塔頂端，即正側(cè)面左邊懸掛地線的地方。最大風(fēng)載位移如表1所示，鐵塔變形云圖如圖4所示。

表1 最大風(fēng)載位移表

圖4 最大風(fēng)載鐵塔變形云圖

貓頭塔在覆冰工況下，位移最大點(diǎn)在鐵塔正面右側(cè)，橫擔(dān)邊緣絕緣子的懸掛處。最大履冰位移如表2所示，鐵塔變形云圖如圖5所示。

圖5 最大覆冰鐵塔變形云圖

參數(shù)X方向Y方向Z方向綜合位移節(jié)點(diǎn)3586455053963586位移/m0．25363E-01-0．15540E-02-0．84824E-020．25371E-01

最大應(yīng)力值均滿足鐵塔對(duì)鋼材的許用應(yīng)力值(見表3)，說(shuō)明鐵塔在兩種工況下都是安全可靠的。

表3 鐵塔靜力荷載響應(yīng)

4 結(jié)論

本文以220 kV輸電線路中典型的貓頭塔為研究對(duì)象，在ANSYS中選取BEAM188模擬鐵塔主材，LINK180來(lái)模擬斜材和輔材，建立了貓頭塔的有限元模型。以最大風(fēng)載和最厚覆冰為氣象條件的荷載施加到鐵塔上，通過(guò)ANSYS靜力學(xué)分析得到鐵塔的最大位移和最大應(yīng)力。這為鐵塔動(dòng)力學(xué)研究打下了基礎(chǔ)，同時(shí)為鐵塔的安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)，在日常運(yùn)維工作中，特別是極端氣象條件下對(duì)該部分重點(diǎn)觀測(cè)，在條件合適的情況下，還可針對(duì)性地加強(qiáng)該部分的承力能力，提高鐵塔的安全性能。

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