徐偉東，楊禮東，張 健

（中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021）

為了實現(xiàn)能源的有效利用及治理京津等地區(qū)的霧霾，開發(fā)超大容量、遠距離的輸送電技術成為現(xiàn)階段我國電力發(fā)展的迫切需要，因此近年來我國建立了多條1 000kV特高壓輸送電線路。錫盟—勝利1 000kV特高壓工程中，首次在單回路線路中使用了角鋼鋼管組合鐵塔，取得了較好的經(jīng)濟效益。

本文使用中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司自主研發(fā)的三維有限元軟件TTA及ANSYS軟件對單回路角鋼鋼管組合鐵塔進行了對比優(yōu)化設計，并在天津霸州試驗場進行了1∶1的真型試驗。通過對試驗結(jié)果與理論計算的對比分析，發(fā)現(xiàn)角鋼鋼管組合結(jié)構(gòu)具有很高的可靠度。

1 鐵塔結(jié)構(gòu)性能分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析模型

特高壓角鋼鋼管組合鐵塔J30103外形采用干子型鐵塔，全高71.8m，跟開17.24m，塔身質(zhì)量為109.6t。塔身主材和瓶口以下交叉材采用鋼管，橫擔主材及輔助材以及塔頭交叉材采用角鋼。結(jié)構(gòu)模型見圖1，圖中單位為mm。

1.2 結(jié)構(gòu)靜力分析

采用三維有限元軟件TTA及ANSYS對鐵塔J30103進行對比優(yōu)化設計。其中塔身、橫擔主材及塔身交叉材采用梁單元進行模擬，其余桿件采用桿單元進行模擬，有限元三維結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。

通過TTA及ANSYS軟件的對比優(yōu)化設計，使得結(jié)構(gòu)的應力及質(zhì)量達到最優(yōu)，2個軟件設計完成后的主要桿件的應力對比見表1，橫擔主材為Q420，塔頭和塔身主材為Q345。

1.3 結(jié)構(gòu)動力分析

圖1 鐵塔J30103結(jié)構(gòu)模型

圖2 三維結(jié)構(gòu)計算模型

采用子空間迭代方法對單塔模型進行全模態(tài)分析，用ANSYS軟件進行的模態(tài)分析是比較精確的。分析完成后，本單塔模型的前4階頻率以及周期見表2，模態(tài)形狀見圖3。

表1 主要桿件TTA及ANSYS軟件計算應力對比MPa

表2 鐵塔J30103模型的頻率及周期

從分析結(jié)果可以看出，鐵塔J30103的前3階振型分別為X方向振動、Y方向振動及扭轉(zhuǎn)振動，第4階以及更高階振型為局部振型。

2 鐵塔真型試驗

2.1 試驗工況

考慮到試驗費用及時間限制，難以按照設計工況逐一進行，因此在正常運行、安裝和事故斷線三大類基本工況中各挑選幾個代表工況進行試驗，具體見表3，荷載加載點見圖4。

2.2 位移及應變觀測點

圖3 模態(tài)分析結(jié)果

位移觀測點的選擇應在能反映出鐵塔整體撓曲線的同時，兼顧變形最大位置的觀測。J30103試驗塔位移測點布置見圖5a。應變觀測點的位置應該符合以下原則：鐵塔主要傳力構(gòu)件（如塔身、塔腿、橫擔主材）；鐵塔計算時各試驗工況下某個應力均較大的桿件；局部構(gòu)造或節(jié)點處傳力與實際存在差異的部位。鐵塔J30103應力觀測點見圖5b。

表3 鐵塔J30103試驗工況

圖4 荷載加載點

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 內(nèi)應力試驗結(jié)果分析

a.主材軸向應力分析。試驗工況為工況2，即90°大風，前側(cè)大張力，后側(cè)小張力，塔頭、塔身及塔腿部分主材在各加載至100%時的內(nèi)應力實測值與按照DL／T 5154—2012《架空輸電線路結(jié)構(gòu)設計技術規(guī)定》計算的理論值對比見表4。由表4數(shù)據(jù)可見，鐵塔主材軸向應力實測值與理論值的偏差在10%以內(nèi)，實測內(nèi)應力和計算內(nèi)應力偏差較小，主要原因是應變片實測值未計及鐵塔自身重力。

圖5 位移及應力觀測點

表4 主材軸向應力實測值與計算值對比

b.位移觀測結(jié)果分析。J30103試驗塔的最大位移發(fā)生在D1點，為工況6，即45°大風，前側(cè)大張力，后側(cè)小張力（破壞），具體數(shù)值見表5。由表5可知，最大橫向位移為623mm，最大縱向位移為73 mm，最大垂直位移為234mm。

2.3.2 應力觀測結(jié)果

6個工況的主要應力觀測結(jié)果見表6，可以看出，第6工況為最危險工況，當荷載施加到100%時，塔身主材Y15、Y16、Y18實測應力分別達到了308.49、286.02、303.66MPa，接近設計應力，說明J 3 0 1 0 3結(jié) 構(gòu) 的 設 計 時 非 常 合 理 。當 荷 載 施 加 到130%時，主材應力迅速增加到576.24MPa（實測應變?yōu)? 744），說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)進入塑性狀態(tài)，但是由于鋼管結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)仍然能夠安全工作。

表5 最大位移觀測點數(shù)值mm

表6 應力觀測結(jié)果 MPa

本次試驗加載到130%的設計荷載時，鐵塔并未破壞，按照以往經(jīng)驗鋼管的破壞荷載能達到設計荷載的150%左右，這是因為現(xiàn)在的行業(yè)規(guī)范是按照彈性設計方法對鋼管塔結(jié)構(gòu)進行設計的。而鋼管的內(nèi)力重分布能力強，當鋼管局部發(fā)生屈服時，其內(nèi)力會重新分布，只有當多個關鍵節(jié)點的結(jié)構(gòu)構(gòu)件陸續(xù)屈服，形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，鐵塔才會破壞。按照彈性理論設計的鋼管塔承載能力比實際承載能力要偏小很多。

3 結(jié)論

通過對鐵塔J30103進行TTA及ANSYS的對比優(yōu)化設計以及真型試驗得到以下結(jié)論。

a.由于鋼管塔變坡處以及塔腿部位結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變，次生彎矩較大，因此實測應力比計算應力稍大，設計中應予以考慮。

b.由于鋼管角鋼混合結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，雖然在試驗過程中，主材的應力已經(jīng)遠遠超過材料的屈服應力，但由于結(jié)構(gòu)的應力重分布，使得結(jié)構(gòu)仍然能安全運行。

c.通過真型試驗可以看出，角鋼鋼管組合結(jié)構(gòu)的安全性要遠大于角鋼塔。