王 磊，陳秋紅，余波明，許建清

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司淮安運(yùn)維站，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

近年來，經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)帶動(dòng)了電力行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)輸電鐵塔的需求也逐漸變多。但是，輸電鐵塔運(yùn)行環(huán)境較為多樣，常常發(fā)生因通道環(huán)境惡劣而導(dǎo)致倒塔和塔材斷裂的事故，影響電網(wǎng)的安全輸送電和用戶的可靠用電。因此，對(duì)一起500 kV輸電鐵塔塔材變形事故通過ANSYS建模分析，力求從受力角度分析塔材變形的真實(shí)原因。

1 故障情況

該線路投運(yùn)于1987年12月27日，線路全長(zhǎng)223.895 0 km，共有547基塔。2017年10月，運(yùn)維人員在對(duì)線路巡視過程中發(fā)現(xiàn)，鐵塔第一水平層4根水平材變形。該鐵塔為直線酒杯塔，桿塔參數(shù)如表1所示。由于前幾年市政建設(shè)，使得塔基處堆土較多，最下層塔材已被掩埋大半。為了防止基礎(chǔ)移位，AD腿側(cè)曾做了擋土墻進(jìn)行保護(hù)，后由于道路改造，堆土情況好轉(zhuǎn)，但塔材變形彎曲依然存在。

表1 桿塔參數(shù)

2 鐵塔荷載分析

根據(jù)計(jì)算要求，桿塔承受的荷載一般分解為作用在鐵塔上的垂直荷載（垂直于地面方向）、橫向水平荷載（平行鐵塔坡平面即延橫擔(dān)方向）和縱向水平荷載（垂直鐵塔平面即垂直橫擔(dān)方向）。通過將鐵塔的荷載類型與現(xiàn)場(chǎng)事故鐵塔的實(shí)際情況相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)變形鐵塔主要受到鐵塔及導(dǎo)、地線的自重載荷，順線路方向?qū)А⒌鼐€對(duì)鐵塔的拉力荷載，塔基處堆土對(duì)鐵塔塔腿所造成的壓力荷載的影響。下面將通過ANSYS建模分析，找出鐵塔第一水平材料變形的真實(shí)原因。

3 ANSYS建模分析

3.1 ANSYS簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是由美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的一款有限元分析軟件。該軟件可分析機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的反應(yīng)，如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)反應(yīng)可知機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求[1-2]。應(yīng)用ANSYS workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的步驟，即建?！砑映叽鐓?shù)—添加材料屬性—網(wǎng)格劃分—添加載荷和約束—進(jìn)行有限元分析[3]。

3.2 ANSYS建模和加載

3.2.1 輸電鐵塔的基本建模思想

在對(duì)鐵塔進(jìn)行力學(xué)有限元分析時(shí)，分析結(jié)果的好壞主要取決于力學(xué)模型的建立。本次分析采用桁梁混合模型對(duì)輸電鐵塔進(jìn)行建模。桁架混合模型具體是將鐵塔的主材、斜材和橫隔材作為梁?jiǎn)卧?，而將鐵塔的輔助材看作桿單元[4]。該方式建立的模型進(jìn)行的受力分析與實(shí)際鐵塔的受力更吻合。

3.2.2 建模方法

本次分析采用的具體方法為：在ANSYS軟件上先利用點(diǎn)、線、面、體建立符合現(xiàn)場(chǎng)的輸電鐵塔的幾何模型，隨后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立該座鐵塔的有限元模型。

3.2.3 荷載施加

ANSYS建模后，需要對(duì)模型進(jìn)行加載分析，這里對(duì)酒杯塔模型的荷載施主要分為兩個(gè)步驟。

第一步：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)模型施加相關(guān)約束。由于該492#鐵塔所處位置前幾年的市政建設(shè)，使得塔基處堆土較多，最下層塔材已被掩埋大半。為了防止基礎(chǔ)移位，AD腿側(cè)做了擋土墻進(jìn)行保護(hù)，鐵塔塔腿部分塔材被擋土墻的混泥土固定，故在塔腿的部分塔材處施加固定約束。

第二步：經(jīng)過觀察，分析AB側(cè)鐵塔的第一層水平塔材有明顯的變形，而AB塔腿為順線路方向，所以在進(jìn)行載荷加載時(shí)需要考慮導(dǎo)、地線在順線路方面對(duì)鐵塔的力載荷，故在鐵塔塔頭部分施加水平方向力載荷和垂直方向的壓力荷載；慣性荷載中的重力荷載，在ANSYS中通過施加豎直向上的重力加速度達(dá)到施加重力場(chǎng)的目的；塔基處堆土對(duì)鐵塔塔腿的壓力載荷，通過對(duì)AB塔腿施加遠(yuǎn)程載荷來模擬土堆對(duì)塔腿的影響。

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 導(dǎo)、地線拉力荷載仿真結(jié)果

圖1為對(duì)鐵塔塔頭部分加載導(dǎo)、地線順線路方向載荷仿真的計(jì)算結(jié)果。

3.3.2 重力荷載，遠(yuǎn)程荷載加載仿真結(jié)果

對(duì)鐵塔塔頭加載導(dǎo)、地線水平方向力載荷和垂直向下壓力載荷，對(duì)鐵塔加載一個(gè)豎直向上的重力加速度，對(duì)鐵塔的AB塔腿加載一個(gè)遠(yuǎn)程載荷，而AB鐵塔為遠(yuǎn)程荷載的初始位置，以此模擬土堆對(duì)鐵塔塔腿所造成的壓力載荷影響，結(jié)果如圖2所示。

圖1 塔頭加載變形圖

圖2 重力荷載和遠(yuǎn)程荷載加載變形圖

3.3.3 同荷載下不同荷載大小仿真結(jié)果

圖3和圖4鐵塔變形圖分別為在圖2基礎(chǔ)上對(duì)鐵塔塔頭加載導(dǎo)、地線水平方向力載荷和垂直向下壓力載荷，對(duì)鐵塔加載一個(gè)豎直向上的重力加速度，對(duì)鐵塔AB塔腿加載壓力載荷加大1倍、50倍的仿真結(jié)果。

圖3 荷載加大1倍

圖4 荷載加大50倍

4 結(jié)論分析

（1）通過圖1在鐵塔只受到導(dǎo)、地線拉力荷載的仿真結(jié)果下，可以分析出鐵塔導(dǎo)、地線的順線路方向的拉力載荷主要作用于鐵塔塔頭部分，而塔身和塔腿的部分基本不受影響。

（2）圖2為鐵塔受到導(dǎo)、地線水平方向拉力載荷和垂直向下壓力載荷，一個(gè)豎直向上的重力加速度以及鐵塔AB塔腿受到的遠(yuǎn)程荷載下的仿真結(jié)果，可以看出鐵塔AB塔腿的水平材料發(fā)生了嚴(yán)重變形，而通過對(duì)比圖1的分析可以得出，引起其變形的主要原因是塔基處土堆對(duì)鐵塔塔腿部分的擠壓所造成。

（3）圖3和圖4通過將鐵塔塔基處加載加大1倍和50倍可以看出，鐵塔的變形程度逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)失準(zhǔn)，鐵塔倒塌。實(shí)際工程中，AD腿側(cè)做了擋土墻進(jìn)行保護(hù)，但塔材變形彎曲依然存在，經(jīng)過這幾年的運(yùn)行觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)變形有擴(kuò)大趨勢(shì)。但是，鐵塔在自然界中受到風(fēng)、覆冰等載荷影響，若達(dá)到鐵塔水平材承受極限，可能會(huì)影響整個(gè)鐵塔的穩(wěn)定性，使變形更嚴(yán)重甚至發(fā)生鐵塔倒塌。因此，建議選擇合理可靠的方案更換已變形塔材，消除隱患，確保線路的安全運(yùn)行。