徐明鳴

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410007）

搶修桿塔要求加工、運(yùn)輸和組裝方便，以便在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電。拉線塔有較好的整體穩(wěn)定性，能承受較大的軸向壓力，拉線能承受很大的拉力，使拉線塔能充分利用材料的強(qiáng)度特性而減少材料用量；拉線塔構(gòu)件少、質(zhì)量輕、運(yùn)輸及組裝方便，采用機(jī)械施工速度很快，將塔起立穩(wěn)定后即可吊裝導(dǎo)、地線，搶修速度快從而能夠在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)送電，減少停電時(shí)間，保證供電的可靠性；同時(shí)，拉線塔采用分段組裝的形式，段與段之間用標(biāo)準(zhǔn)方式連接，可隨意互換，組裝快捷，保證連接牢固可靠。本文對(duì)搶修型拉線塔的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行介紹，并以800kV特高壓輸電線路為例，分析其受力性能。

1 搶修型拉線塔介紹

拉線式輸電塔結(jié)構(gòu)一般由地線塔頭、橫擔(dān)、主柱以及鋼索四部分組成。拉線塔的主體結(jié)構(gòu)為桁架構(gòu)架體系，在預(yù)加拉力的鋼索下保證其穩(wěn)定，這種體系結(jié)構(gòu)具有自立式桿塔不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：第一，由于拉線輸電塔采用的是懸索結(jié)構(gòu)，吸取了懸索結(jié)構(gòu)一系列獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、基礎(chǔ)荷載小、立柱可以利用原有基礎(chǔ)、拉線基礎(chǔ)可以預(yù)制、造價(jià)便宜、跨度大、易于架設(shè)等，從而使基面易于處理、加工、施工方便，加快建設(shè)進(jìn)度；第二，拉線輸電塔受力簡(jiǎn)單、明確，縱向、橫向水平力都由拉線承擔(dān)，減少了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力，使選材更加經(jīng)濟(jì)適用；第三，由于拉線式輸電塔本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在技術(shù)安全可靠的前提下，相對(duì)于自立式塔可以大大節(jié)約材料［1］。

從受力模型、幾何組成等方面分析，拉線搶修桿塔由與基礎(chǔ)鉸接的主柱和施加預(yù)拉力的拉線組成空間桿索結(jié)構(gòu)體系，桿身主柱是主要的承載結(jié)構(gòu)，拉線則保證桿身的直立與穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是高度大，橫截面相對(duì)較小，桿身長(zhǎng)細(xì)比通常在1／80以內(nèi)，橫向荷載起主要作用。與一般結(jié)構(gòu)相比，拉線搶修桿塔的空間結(jié)構(gòu)形式使其受氣候影響更為顯著，風(fēng)荷載和覆冰荷載常常為搶修桿塔結(jié)構(gòu)的控制荷載。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，搶修型拉線塔與常規(guī)工程拉線塔主要區(qū)別如下。

a.取消了雙主柱布置型式，采用大截面單格構(gòu)式主柱，以便縮短加工及安裝工期。

b.拉線及主柱標(biāo)準(zhǔn)化分段布置。綜合考慮山區(qū)場(chǎng)地小，不利于拉線布置，控制山區(qū)地區(qū)拉線對(duì)地夾角60°，平地對(duì)地夾角45°?？紤]到備料方便，直線和轉(zhuǎn)角塔應(yīng)采用相同的標(biāo)準(zhǔn)段。

c.常規(guī)拉線塔構(gòu)件，材質(zhì)一般為Q235B、Q345B及Q420B，而搶修型塔構(gòu)件采用高強(qiáng)鋁合金材質(zhì)，充分發(fā)揮鋁合金具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)計(jì)算采用高強(qiáng)鋁合金可降低塔身質(zhì)量約38%，其搬運(yùn)數(shù)量及組裝數(shù)量約為常規(guī)塔的一半，由此估算得出可節(jié)省人工50%，提高組裝效率50%。

2 單柱拉線塔有限元計(jì)算模型

針對(duì)±800kV特高壓線路的特點(diǎn)，提出了搶修型單柱式拉線塔的方案，運(yùn)用SAP2000有限元分析軟件對(duì)拉線塔主要進(jìn)行受力、變形及自振特性對(duì)比分析。設(shè)計(jì)條件為：導(dǎo)線采用6×JL1／G2A-1250／100鋼芯鋁絞線，地線采用JLB20A-150鋁包鋼絞線，設(shè)計(jì)風(fēng)速27m／s，設(shè)計(jì)覆冰15mm。

模型假定材料為各向同性硬化材料，符合初始屈服條件和流動(dòng)法則，且為相關(guān)流動(dòng)；結(jié)構(gòu)為大位移小變形運(yùn)動(dòng)；不計(jì)構(gòu)件加工、安裝誤差及材料初始缺陷；節(jié)點(diǎn)為理想空間剛節(jié)點(diǎn)或理想的空間鉸接點(diǎn)［2］。對(duì)單柱式拉線塔的分析采用兩種方案：方案1是不加短橫擔(dān)采用8根拉線，拉線分別按對(duì)橫擔(dān)夾角為15°和75°，對(duì)地夾角為45°布置；方案2是加短橫擔(dān)采用4根拉線，拉線對(duì)橫擔(dān)夾角為45°，對(duì)地夾角為45°布置。采用拉索單元模擬拉線，并施加預(yù)加力，拉線的初始應(yīng)力控制為120～140MPa［3］。

3 單柱拉線塔靜動(dòng)力分析

考慮到拉線大變形小應(yīng)變的非線性影響，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了非線性受力分析分別從靜力和動(dòng)力兩方面探討拉線塔的受力性能。

3.1 靜力分析

考慮到拉線塔為柔性結(jié)構(gòu)，不能忽略幾何非線性的影響，分別針對(duì)拉線塔的各分析工況進(jìn)行了非線性靜力計(jì)算，方案1的分析結(jié)果見圖1，方案2的分析結(jié)果見圖2。方案1、方案2各工況下拉線塔的拉線內(nèi)力、立柱底豎向反力、塔身主材內(nèi)力、塔頭主材內(nèi)力以及塔頂位移見表1、表2，表中數(shù)據(jù)負(fù)值表示壓力，正值表示拉力。

圖1 方案1各工況內(nèi)力

圖2 方案2各工況內(nèi)力

由以上靜力計(jì)算結(jié)果對(duì)單柱拉線塔分析如下。

a.從各工況的內(nèi)力分析結(jié)果看出，拉線塔在事故斷導(dǎo)線、設(shè)計(jì)覆冰和不均勻覆冰工況下塔身內(nèi)力較大，而拉線最大內(nèi)力為90°大風(fēng)工況和事故斷導(dǎo)線工況。

表1 方案1各主要工況內(nèi)力

表2 方案2各主要工況內(nèi)力

b.各主要工況下，方案2的立柱底豎向反力和塔身主材內(nèi)力均較方案1小30%～40%，分析其原因主要為拉線預(yù)應(yīng)力影響，不加短橫擔(dān)拉線組數(shù)比加短橫擔(dān)的多；兩方案的塔頭主材內(nèi)力基本相等，經(jīng)初步估算方案2較方案1節(jié)省鐵塔鋼材2%～3%。

c.方案2拉線內(nèi)力較方案1大10%左右，根據(jù)計(jì)算，方案2的拉線規(guī)格需采用2×37-20.3-1570或2×19-20-1570，兩種型號(hào)拉線在國(guó)內(nèi)輸電線路中很少采用，拉線金具等需特殊加工；方案1拉線規(guī)格2×19-17.5-1570（相當(dāng)于GJ-180），此拉線規(guī)格材500kV線路中已大量采用，拉線金具已有成熟工藝。

d.方案2塔頂位移整體上較方案1大，均滿足規(guī)范DL／T 5154—2012《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》要求限制；斷導(dǎo)線工況下，方案2的塔頂位移較方案1略小，方案2抗扭性能略好。

綜合分析表明帶短橫擔(dān)方案2的靜力分析情況略優(yōu)于不帶短橫擔(dān)方案1。

3.2 動(dòng)力分析

3.2.1 自由振動(dòng)方程的建立

體系的無阻尼自由振動(dòng)方程為：

式中：M為體系的質(zhì)量矩陣，采用集中質(zhì)量法形成；ü為節(jié)點(diǎn)加速度向量；K為體系的剛度矩陣，K=K0+Kg+Kσ，K0為彈性剛度矩陣，Kg為幾何剛度矩陣，Kσ為初應(yīng)力剛度矩陣；u為節(jié)點(diǎn)位移向量。

其特征方程為：

式中：ω為特征值；φ為廣義位移陣列。

結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)束后可獲得結(jié)構(gòu)體系的靜力平衡位置及內(nèi)力。動(dòng)力分析時(shí)，取體系靜力終態(tài)時(shí)的內(nèi)力和幾何坐標(biāo)作為動(dòng)力初態(tài)，即體系在靜力平衡位置附近做微幅振動(dòng)。即平衡位置的切線剛度矩陣為初始的動(dòng)力剛度矩陣。求解該特征方程，即可得到計(jì)算模型的自振周期和自振模態(tài)［4］。

3.2.2 自振特性分析

求解前25階自振特性，暫且不考慮導(dǎo)地線對(duì)拉線塔自振特性的影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，本文列出前5振型及自振周期，方案1、方案2的振型見圖3和圖4，自振周期見表3。

自振特性分析結(jié)果表明，兩方案單柱式拉線塔的第一階振型均為扭轉(zhuǎn)振型，方案2基本周期比方

圖3 方案1振型

圖4 方案2振型

表3 方案1、方案2前5階自振周期

案1小，說明方案2扭轉(zhuǎn)性能相對(duì)較好；高階振型有塔身的側(cè)彎，上下振動(dòng)振型，振型完整；自振周期分析表明，方案1側(cè)彎振型自振周期較方案2小，說明方案1整體抗彎剛度較方案2好。

4 結(jié)論

通過建立了不加短橫擔(dān)的八根拉線方案1和加短橫擔(dān)的四根拉線方案2兩個(gè)單柱式拉線塔的有限元計(jì)算模型，分別進(jìn)行了拉線塔的靜力和動(dòng)力計(jì)算，同時(shí)考慮了拉線塔的幾何非線性影響，分析結(jié)論如下。

a.分析結(jié)果表明單柱式拉線塔兩個(gè)方案均可行。

b.從各工況的內(nèi)力分析結(jié)果看出，拉線塔在事故斷導(dǎo)線、設(shè)計(jì)覆冰和不均勻覆冰工況下塔身內(nèi)力較大，而拉線最大內(nèi)力為90°大風(fēng)工況和事故斷導(dǎo)線工況。

c.靜力分析結(jié)果表明：方案2整體上優(yōu)于方案1，方案2塔身主材內(nèi)力比方案1小，綜合可節(jié)省鋼材為2%～3%；但方案2拉線內(nèi)力比方案1大，拉線規(guī)格在輸電線路中應(yīng)用較少，其拉線連接金具等需特殊制作。

d.動(dòng)力分析結(jié)果表明單柱式拉線塔的基本振型為扭轉(zhuǎn)，方案2基本周期比方案1小，方案2扭轉(zhuǎn)性能相對(duì)較好。

e.自振周期分析表明：方案1側(cè)彎振型自振周期比方案2小，且靜力分析情況下方案1整體位移比方案2小，方案1整體抗彎剛度比方案2略好。