鄧長征 郭軼磊，3 張康偉，3 趙 俠 牛浩然

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，武漢 430074)

輸電鐵塔是高壓輸電線路的承重結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對電力系統(tǒng)可靠運行至關(guān)重要[1].據(jù)現(xiàn)場觀測分析，多條線路鐵塔的塔腳和連接板部分位置已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕，使得塔腿區(qū)域結(jié)構(gòu)強度下降，甚至已經(jīng)對線路的安全運行產(chǎn)生不好的影響[2-4].因此提出合理可行的塔腿補強措施勢在必行.

目前國內(nèi)許多專家對塔腿補強措施進行了優(yōu)化研究，文獻[2]提出更換塔腿的措施，首先運用鋼絲繩和抱桿替代銹蝕的塔腿支撐，隨后進行塔腿的拆除與更換.文獻[3]提出組合角鋼主材加固，即通過背靠背在原主材上附加一根相同規(guī)格的主材用于加固鐵塔的方法.文獻[4]提出加固焊補方案，即對銹蝕嚴(yán)重的部位進行拆除，隨后采用護板焊接起來的方法.總之，以上補強措施或是由于更換塔腿費用昂貴，使經(jīng)濟效益低下；或是由于鐵塔結(jié)構(gòu)限制，無法對原有結(jié)構(gòu)進行補強操作；亦或是對已銹蝕塔腿主材進行焊補或更換工作，結(jié)果導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強度下降.

本文通過ANSYS有限元分析軟件建立了鐵塔結(jié)構(gòu)的桁架混合模型，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)加固的思想，對已銹蝕塔腿主材分別在正常和惡劣運行工況下的受力情況進行了計算，由計算結(jié)果針對普遍的塔腿銹蝕提出了一種新型加固方案—分解加固法，并建立加固補強后的計算模型對鐵塔的應(yīng)力強度及整體穩(wěn)定性進行了分析，驗證了該種加固補強方案在惡劣工況下力學(xué)性能方面的可行性.

1 輸電線路鐵塔的銹蝕情況

通過對超高壓輸電公司柳州局所轄的輸電線路桿塔實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該局所轄的河柳甲線、河柳乙線等19條線路部分鐵塔發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，主材表面大量脫落.這些缺陷會降低桿塔的穩(wěn)定性，增大倒塔斷線的風(fēng)險，如圖1所示.

圖1 鐵塔連接板及螺栓銹蝕情況

該區(qū)段線路鐵塔運行已經(jīng)超過15年，現(xiàn)需要對銹蝕鐵塔進行補強工作.本文通過仿真軟件建立有限元模型，找出集中應(yīng)力區(qū)段，以期對鐵塔進行有針對性的結(jié)構(gòu)評估，并提出補強措施，最后對其進行驗證.該工程的塔型均為ZB型直線酒杯塔，鐵塔主材和斜材分別采用Q345，Q234規(guī)格的角鋼.

分析調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鐵塔腐蝕部位主要發(fā)生在主材與保護帽(基礎(chǔ))接觸部分(即塔腳處)，具有寬度厚實、剛度強、螺栓密集、結(jié)構(gòu)冗雜的特點，且塔腳處植茂繁多、處于背光處，導(dǎo)致隱蔽性強，往往巡線人員不易發(fā)現(xiàn)腐蝕情況.因此本文以塔腿主材區(qū)段為研究點，依據(jù)ANSYS軟件平臺，建立有限元結(jié)構(gòu)模擬對象.

2 鐵塔有限元模型的建立

研究表明酒杯型鐵塔采用桁架混合模型最符合鐵塔結(jié)構(gòu)實際的力學(xué)狀態(tài)[5]，考慮塔材截面應(yīng)力和單元網(wǎng)格的劃分，在建模單元時選用Beam188號梁單元，以提高仿真準(zhǔn)確度[6].主材和斜材相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 主、斜材參數(shù)

鐵塔為中心對稱結(jié)構(gòu)，故先完成1/4 結(jié)構(gòu)的繪制，進行兩次鏡面操作，即可得到完整塔型.如圖2～3所示，然后進行網(wǎng)格劃分，定義主材斜材的材料屬性，最后進行加載求解和結(jié)果后處理.

圖2 局部結(jié)構(gòu)圖

圖3 整體結(jié)構(gòu)圖

3 計算結(jié)果及分析

3.1 荷載計算

鐵塔荷載主要由水平荷載與垂直荷載組成，鐵塔水平荷載由風(fēng)作用在塔身和導(dǎo)地線上產(chǎn)生，與風(fēng)速和作用角度有關(guān)；鐵塔垂直荷載主要由鐵塔自重與導(dǎo)地線重量有關(guān)[7].

鐵塔風(fēng)壓荷載P(單位：kN)的計算按式(1)～(3)進行：

式中，v為計算風(fēng)速，取最大風(fēng)速為30m/s；A為塔身側(cè)面受風(fēng)面的投影面積，該塔型為酒杯塔，呼稱高45m、塔頭高22m、側(cè)面根開9.9m，則A=194.77 m2；φ為平面桁架的擋風(fēng)系數(shù)；∑AC為桁架桿架投影面積之和，經(jīng)計算∑AC=40.44m2；KP為風(fēng)載體形系數(shù)，取1.43.

導(dǎo)線風(fēng)壓荷載Wx計算按式(4)進行：

式中，Wx為垂直于電線軸線的水平風(fēng)荷載(N)；α為電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)，取0.75；μsc為電線體型系數(shù)，取1.1；βc為500kV 線路電線作用于鐵塔上的風(fēng)調(diào)系數(shù)，取1.2；d為電線外徑，取26.82mm；δ為覆冰厚度，此工況下不考慮覆冰厚度；lH為鐵塔水平檔距，取250m；θ為風(fēng)向與電線軸向間的夾角，取90°.

地線風(fēng)壓荷載PG計算方法與導(dǎo)線相同，LBGJ-120-40AC地線相關(guān)數(shù)據(jù)可從設(shè)計手冊查得[8].

3.2 正常鐵塔的荷載施加求解

在仿真軟件中對鐵塔模型施加荷載，為了使仿真計算結(jié)果更具有說服力，文中各種荷載均比實際情況略大，氣象運行條件也選取為當(dāng)?shù)刈類毫拥那闆r，即在風(fēng)速為30m/s下的運行狀態(tài).鐵塔在正常運行狀態(tài)荷載和30m/s大風(fēng)作用下荷載整體示意圖和塔腿示意圖，分別如圖4～7所示.

由圖5 可知，未發(fā)生塔腿主材銹蝕的鐵塔在30m/s大風(fēng)的極限運行狀態(tài)下，鐵塔塔頭變形處于危險區(qū)域(紅色)，但塔身總體處于安全區(qū)域(綠色)，所以鐵塔仍能正常運作.由圖7可知，塔腿最大應(yīng)力可為245MPa，發(fā)生在塔腿主材部(紅色).此時，塔腿主材應(yīng)力均遠(yuǎn)小于Q345的極限應(yīng)力(Q345的屈服強度為345MPa).鐵塔保持正常運行狀態(tài)，表明鐵塔處在沒有發(fā)生銹蝕的正常狀態(tài)下，能完全滿足30m/s大風(fēng)運行環(huán)境.

圖4 正常運行整體圖

圖5 30m/s大風(fēng)荷載整體圖

圖6 正常運行塔腿云圖

圖7 30m/s大風(fēng)荷載塔腿云圖

3.3 銹蝕鐵塔主材的仿真分析

在角鋼的銹蝕模擬中，為貼近實際工程，在銹蝕截面處選用變截面梁單元的設(shè)置，以不同厚度的角鋼來代替不同程度的主材腐蝕情況.截面厚度變化詳細(xì)處理如圖8所示.此方法在模型計算時更加貼近實際情況.對銹蝕鐵塔施加30 m/s大風(fēng)時承受的極限荷載，可得到如圖9所示的受力云圖.

圖8 角鋼L140×10銹蝕截面處理圖

圖9 塔腿腐蝕時變形云圖

由圖9可知，當(dāng)主材桿件由于銹蝕而厚度減少時，周圍斜材桿件受力有顯著增加 ，斜材應(yīng)力最大達到了239MPa，超過了鋼材Q235(Q235的屈服強度為235MPa)的極限應(yīng)力，鐵塔底座可能會發(fā)生嚴(yán)重變形.因為鐵塔主材斜材均采用的時鋼材Q345，極限應(yīng)力為345MPa.因此，鐵塔處于極限運行狀態(tài)，部分組件發(fā)生嚴(yán)重不可逆變形，鐵塔塔腿應(yīng)力遠(yuǎn)超過設(shè)計應(yīng)力值，若不及時處理，鐵塔將發(fā)生不可逆的變形，很容易發(fā)生倒塔事故.

4 塔腿主材補強措施

4.1 分解加固法

分解加固法是基于力的分解的原理，在受到嚴(yán)重腐蝕的塔腿附近新建3個塔腿，替代原腐蝕塔腿，用以承受原塔腿受到的各項荷載.如圖10 所示，塔材AD、BD、CD(黑色)代表的是原塔腿主材，分別在每個新建基礎(chǔ)上安裝新的塔腿，兩側(cè)基礎(chǔ)(紅色)的塔腿有兩根主材(紅色BN、CN和綠色AL、BL)，分別連接塔腿與塔身交界線的端點B與中點A或C，中間基礎(chǔ)(藍色)有3根主材(藍色AM、BM、CM)，3根主材分別連接A、B、C3點，所有主材均需進行腐蝕防護措施.3個新建基礎(chǔ)所在的3個塔腿的合力能夠承受原有線路鐵塔對該塔腿的作用力.

4.2 有限元模型仿真分析

圖10 分解加固示意圖

建立加固后的有限元模型，并施加與前文相同的工況荷載，模擬出針對銹蝕塔腿的分解加固后的桿塔運行情況.圖11所示為塔腿分解加固有限元模擬示意圖.主材加固后的有限元等效應(yīng)力云圖如圖12所示.可見，加固后原銹蝕主材受力明顯減小，新加固塔材與原來桿塔在惡劣工況下的塔腿主材應(yīng)力值減小，這是因為采用了分解加固.從數(shù)值上分析，加固后塔材所受應(yīng)力值為40～60 MPa 左右，減小比約為75%，應(yīng)力值遠(yuǎn)低于塔材屈服強度.

圖11 塔腿分解加固有限元模型示意圖

圖12 塔腿分解加固后塔材等效應(yīng)力云圖

由此可知，本分解加固措施既滿足加固后需要承擔(dān)起原塔腿荷載，又降低了加固塔材各自承擔(dān)的荷載，具有良好的效果.

5 與傳統(tǒng)方案的對比分析

采用傳統(tǒng)方法解決塔腿銹蝕問題的過程為：先將導(dǎo)、地線拆除，由于銹蝕鐵塔一般是運行了15年左右的老舊鐵塔，將原塔拆除后再組裝已經(jīng)很難完成，所以只能將整個鐵塔拆除，最后再新建一基鐵塔.這類方法在材料上要考慮整基塔，施工周期長，工程造價高昂，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行影響較大.

本文所提出的分解補強法：補強桿件自身構(gòu)成幾何不變體系，不損傷原結(jié)構(gòu)體系，僅需在指定位置(即銹蝕塔腿附近)新增塔腿，使原塔腿的受力由新增塔腿承受，故整體穩(wěn)定性好.且能夠達到在不影響正常輸電或短期內(nèi)就能恢復(fù)供電的使用要求，確保在原有工況下已服役的鐵塔能夠繼續(xù)安全工作和延長使用壽命.野外施工過程受外界環(huán)境影響較小，無高空作業(yè).所以加固周期短，施工方便，費用低，對施工過程中的安全和進度有保障.

表2為分解加固法與傳統(tǒng)方法的經(jīng)濟性對比.可見，分解加固法工程造價低，施工周期短，期間無需采取停電措施，可靠性良好.

表2 經(jīng)濟性對比

6 結(jié) 論

本文以現(xiàn)有輸電線路鐵塔塔腿主材普遍存在的銹蝕問題為出發(fā)點，提出采用一種新型補強措施—分解加固法，用于取代傳統(tǒng)補強方案.并運用ANSYS有限元分析軟件對已銹蝕鐵塔和補強后的鐵塔進行了力學(xué)性能分析，得出以下結(jié)論：

(1)提出的新型補強措施—分解加固法，不損傷原有的結(jié)構(gòu)體系，加固周期短，施工方便，費用低，且加固后的鐵塔能夠達到在不影響正常輸電或短期內(nèi)就能恢復(fù)供電的使用要求，故此補強方案可以對一般鐵塔加固工程做參考.

(2)計算結(jié)果證實補強后的塔腿所承受的應(yīng)力減少約為75%，遠(yuǎn)低于塔材的屈服強度，有效降低了原有塔腿主材的受力，滿足規(guī)范規(guī)定的承載力要求.