張思祥 馬芳 陳鵬 劉凱銘 田利

摘 要：輸電線(xiàn)路工程是重要的能源傳輸工程，但由于輸電線(xiàn)路大多架設(shè)于鄉(xiāng)間野外，長(zhǎng)年累月受到環(huán)境荷載的作用，極有可能發(fā)生導(dǎo)線(xiàn)斷裂事故。為了探究斷線(xiàn)對(duì)輸電塔線(xiàn)體系的沖擊作用，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立“四塔三線(xiàn)”模型，模擬不同輸電線(xiàn)斷線(xiàn)工況下的動(dòng)態(tài)過(guò)程，開(kāi)展了斷線(xiàn)后輸電塔的受力分析?；诙x的沖擊系數(shù)，分析了斷線(xiàn)前后輸電塔主材桿件的受力變化情況，明確了輸電塔受沖擊最嚴(yán)重的位置。通過(guò)模擬結(jié)果與規(guī)范的對(duì)比，指出了現(xiàn)有規(guī)范的不足。結(jié)果表明：斷線(xiàn)對(duì)輸電塔產(chǎn)生的破壞主要為彎曲破壞和扭轉(zhuǎn)破壞，且彎曲破壞更為嚴(yán)重。單根導(dǎo)線(xiàn)斷裂時(shí)，上部導(dǎo)線(xiàn)斷裂所造成的沖擊最嚴(yán)重，受沖擊最大的部位為斷裂導(dǎo)線(xiàn)所連橫擔(dān)與其下方相鄰橫擔(dān)之間的一段塔身。隨著斷線(xiàn)根數(shù)增多，扭轉(zhuǎn)破壞所占比例有所增加，各橫擔(dān)之間的塔身為破壞最嚴(yán)重的部位。按規(guī)范取值并通過(guò)靜力方法計(jì)算斷線(xiàn)對(duì)輸電塔的影響不能確保結(jié)構(gòu)在斷線(xiàn)動(dòng)力沖擊下的安全，有必要采用動(dòng)力分析對(duì)輸電塔進(jìn)行驗(yàn)算。

關(guān)鍵詞：輸電塔線(xiàn)體系;斷線(xiàn)沖擊;沖擊系數(shù);瞬態(tài)動(dòng)力分析;有限元模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2021）03-0142-07

Abstract： The transmission tower-line systems play a vital role in power transmission. However， since most of the transmission tower-line systems are situated in rural areas subjected to various extreme weather conditions， transmission conductors are prone to be broken. In order to investigate the dynamic impact of conductor breakage on the transmission tower， a finite element model is established in ABAQUS， and the global state of the transmission tower is determined according to the base reaction. By calculating the impact coefficient of the main members in different parts of the tower under different working conditions， the changes of axial forces of the main members in different positions are shown， and the most severely impacted parts of the tower are identified. Finally， the simulation results are compared with the current norm， and the shortcomings of the criteria are pointed out. The results show that the main failure modes of transmission tower caused by wire breakage are bending failure and torsion failure， and the bending failure is more serious. When a single wire is broken， the impact caused by the rupture of the upper wire is the most serious， and the place suffering the greatest impact is the section between the crossarm connected with the broken wire and the adjacent crossarm. With the increase of the number of broken wires， the proportion of torsion failure increases， and the sections between two adjacent crossarms are damaged seriously. In addition， it is necessary to use dynamic methods to analyze structures， because using current codes and static methods to calculate the influence of wire rupture on structures cannot ensure that structures are still safe under the dynamic impact of wire rupture.

Keywords： transmission tower-line system; dynamic effect of rupture line; impact coefficient; transient dynamic analysis; finite element simulation

架空輸電線(xiàn)路是能源傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。但是，由于線(xiàn)路設(shè)備長(zhǎng)期裸露在自然環(huán)境中，容易受到各種氣象條件的侵襲、化學(xué)氣體的腐蝕以及外力的破壞，出現(xiàn)故障的幾率較高。在眾多輸電線(xiàn)路故障中，導(dǎo)（地）線(xiàn)斷裂便是危害最為嚴(yán)重的事故之一。2004年在湖南省、2008年在江西省、2011年在貴州省和2019年在湖北省都因發(fā)生冰雪災(zāi)害而造成輸電線(xiàn)路多處發(fā)生斷線(xiàn)。除了冰雪天氣使輸電線(xiàn)路覆冰從而導(dǎo)致斷線(xiàn)事故外，雷擊和外力破壞也是引起斷線(xiàn)事故發(fā)生的重要原因。此外，大風(fēng)、振動(dòng)以及壓接管抽簽等也有可能導(dǎo)致架空輸電線(xiàn)路斷線(xiàn)。導(dǎo)（地）線(xiàn)的斷裂會(huì)在斷裂瞬間對(duì)輸電塔造成一定的沖擊作用，在嚴(yán)重的情況下，還有可能導(dǎo)致沿線(xiàn)輸電塔的連續(xù)倒塌，從而對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響。因此，研究斷線(xiàn)對(duì)鐵塔的沖擊作用，對(duì)保證輸電線(xiàn)路安全和保障居民生活用電具有重大意義。

斷線(xiàn)事故對(duì)輸電塔造成的影響主要為縱向不平衡張力。為了探究斷線(xiàn)不平衡張力的大小，Cambell等[1]通過(guò)推導(dǎo)輸電塔線(xiàn)體系斷線(xiàn)時(shí)的靜力方程得出了斷線(xiàn)后的平衡位置和導(dǎo)線(xiàn)的殘余應(yīng)力;Mozer[2]以簡(jiǎn)化物理模型為基礎(chǔ)，建立了斷線(xiàn)荷載下峰值應(yīng)力的半解析公式。除了理論分析外，一些學(xué)者針對(duì)斷線(xiàn)工況設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步探究斷線(xiàn)事故對(duì)輸電塔的影響。默增祿等[3]以特高壓直線(xiàn)塔為原型進(jìn)行了導(dǎo)線(xiàn)斷裂的實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出斷線(xiàn)沖擊荷載的傳遞特點(diǎn)。劉春城等[4]建立了輸電塔線(xiàn)體系縮尺模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了酒杯塔的最不利斷線(xiàn)工況和破壞最嚴(yán)重的部位。隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者利用有限元軟件建立連續(xù)多檔輸電線(xiàn)絕緣子模型，來(lái)探究斷線(xiàn)后斷線(xiàn)張力的大小和輸電線(xiàn)的動(dòng)力響應(yīng)。楊風(fēng)利[5]研究了覆冰工況下分裂導(dǎo)線(xiàn)斷線(xiàn)張力的大小。歐陽(yáng)克儉等[6]利用有限元軟件ANSYS探究了斷線(xiàn)沖擊效應(yīng)，并從時(shí)域和頻域的角度分別分析了導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)的動(dòng)力特性。為了使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際，一些學(xué)者建立了輸電塔線(xiàn)體系模型來(lái)進(jìn)行斷線(xiàn)分析。Vincent等[7]使用ADINA軟件建立了輸電塔線(xiàn)體系并進(jìn)行斷線(xiàn)模擬，通過(guò)將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明了有限元模擬的可靠性。沈國(guó)輝等[8]在有限元軟件ABAQUS中建立了塔線(xiàn)體系模型并對(duì)導(dǎo)線(xiàn)斷裂和斷線(xiàn)后導(dǎo)線(xiàn)與地面的撞擊進(jìn)行模擬，闡述了斷線(xiàn)后輸電塔的破壞情況。曹丹京等[9]采用SAP2000建立了“三塔四線(xiàn)”模型并模擬了導(dǎo)線(xiàn)斷裂事故，研究了不同工況下斷線(xiàn)對(duì)輸電塔的沖擊作用并進(jìn)行了安全度的評(píng)定。Li等[10]探究了覆冰情況下導(dǎo)線(xiàn)斷裂后輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)并進(jìn)行了參數(shù)分析，指出檔距、絕緣子長(zhǎng)度和初始張力對(duì)斷線(xiàn)沖擊的影響。宋欣欣等[11]對(duì)轉(zhuǎn)角塔在斷線(xiàn)工況下的性能進(jìn)行了分析。Carlos等[12]針對(duì)拉線(xiàn)塔進(jìn)行了斷線(xiàn)模擬并分析了其在斷線(xiàn)后的動(dòng)力響應(yīng)。Alminhana等[13]對(duì)比了拉線(xiàn)塔和自立式輸電塔斷線(xiàn)后的狀態(tài)，并指出拉線(xiàn)塔具有更好的抗斷線(xiàn)性能。楊繁等[14]不僅探究了斷線(xiàn)對(duì)輸電塔的影響，還針對(duì)斷線(xiàn)工況提出了合理的減振措施。除了上述確定性分析外，Kaminski等[15]對(duì)導(dǎo)線(xiàn)斷裂進(jìn)行了不確定性分析，研究了建模方法不確定性對(duì)分析結(jié)果的影響。

綜上所述，目前已經(jīng)開(kāi)展了一些斷線(xiàn)破壞的研究，但對(duì)輸電塔的斷線(xiàn)動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)多以塔頂位移和個(gè)別桿件的軸力變化情況作為評(píng)價(jià)斷線(xiàn)沖擊的指標(biāo)，并不能全面反映斷線(xiàn)后輸電塔的性能狀態(tài)。為了對(duì)斷線(xiàn)后輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行更加全面系統(tǒng)的分析，筆者采用ABAQUS有限元軟件建立了“四塔三線(xiàn)”有限元模型并開(kāi)展不同導(dǎo)線(xiàn)斷裂動(dòng)態(tài)模擬。通過(guò)輸電塔基底反力合力和合力矩的變化狀態(tài)，總結(jié)了輸電塔在斷線(xiàn)后的整體受力狀況?？偨Y(jié)了不同導(dǎo)線(xiàn)斷裂下輸電塔沖擊系數(shù)隨主材所在位置的變化情況，以反映輸電塔局部受力狀況，并指出受斷線(xiàn)影響最大的部位。最后，將模擬結(jié)果與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，指出了現(xiàn)有規(guī)范的不足。

1 有限元模型與模擬

1.1 輸電塔線(xiàn)體系有限元模型的建立

基于實(shí)際工程，利用ABAQUS有限元軟件建立輸電塔線(xiàn)體系有限元模型。根據(jù)某地區(qū)雙回500 kV輸電線(xiàn)路工程建立“四塔三線(xiàn)”塔線(xiàn)體系模型，研究“耐直直耐”體系的耐張段。此段線(xiàn)路長(zhǎng)1 164 m，每檔檔距388 m。

工程線(xiàn)路采用鋼芯鋁絞線(xiàn)，每相4分裂。線(xiàn)路架設(shè)1根鋁包鋼絞線(xiàn)作為地線(xiàn)。輸電線(xiàn)參數(shù)如表1所示。絕緣子串選用瓷絕緣子單聯(lián)Ⅰ型上扛式懸垂串。每個(gè)絕緣子上有31個(gè)絕緣子片，共長(zhǎng)4 805 mm。該耐張段直線(xiàn)塔高56.9 m，呼高33 m，根開(kāi)11.595 m;耐張塔形高51.5 m，呼高21 m，根開(kāi)12.78 m。

研究的輸電塔所有桿件均為角鋼，各桿件之間通過(guò)螺栓進(jìn)行連接。在A(yíng)BAQUS中，采用一階剪切變形梁?jiǎn)卧狟31進(jìn)行角鋼桿件的模擬。鋼材使用理想彈塑性模型進(jìn)行模擬。絕緣子串由于一端與輸電塔橫擔(dān)末端桿件鉸接且另一端與導(dǎo)線(xiàn)鉸接，可將其視為桁架單元，因而使用三維桿單元T3D2模擬。由于導(dǎo)（地）線(xiàn)不能受彎和受壓，僅能承受拉力，所以，也采用三維桿單元T3D2模擬并將四分裂導(dǎo)線(xiàn)簡(jiǎn)化為單導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行建模。同時(shí)，因其剛度較小，而跨度和撓度較大，具有非線(xiàn)性，所以，將每一根導(dǎo)（地）線(xiàn)分為100個(gè)單元，以保證計(jì)算精度。導(dǎo)（地）線(xiàn)的弧垂根據(jù)式（1）計(jì)算。建立的有限元模型如圖1所示。

式中：fm為電線(xiàn)弧垂，m;σ0為電線(xiàn)各點(diǎn)的水平應(yīng)力，MPa;γ為電線(xiàn)比載，N/m·mm2;m為檔距，m。

1.2 斷線(xiàn)工況模擬

斷線(xiàn)工況的模擬通過(guò)生死單元法實(shí)現(xiàn)。利用ABAQUS軟件“接觸”模塊中的移除（REMOVE）單元命令來(lái)模擬導(dǎo)線(xiàn)斷裂。由于斷線(xiàn)在瞬間發(fā)生，所以，將移除指定單元的時(shí)間設(shè)為10-8 s。

研究過(guò)程中，首先對(duì)模型施加重力，重力施加完畢后維持6 s，以獲得正常工作狀態(tài)下輸電塔線(xiàn)體系的受力情況，然后再移除指定導(dǎo)線(xiàn)單元來(lái)模擬輸電線(xiàn)的斷裂，并對(duì)斷線(xiàn)后30 s內(nèi)塔線(xiàn)體系的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析。

2 輸電線(xiàn)斷線(xiàn)對(duì)輸電塔的沖擊分析

利用上述有限元模型和斷線(xiàn)模擬方法，對(duì)輸電線(xiàn)斷裂后輸電塔所受的沖擊作用進(jìn)行分析。為了準(zhǔn)確地描述斷線(xiàn)工況，將輸電線(xiàn)進(jìn)行編號(hào)，具體情況如圖2所示。

2.1 單根導(dǎo)線(xiàn)斷裂后輸電塔的受力分析

葛緒章[16]的研究結(jié)果表明，單根導(dǎo)線(xiàn)斷裂時(shí)，上導(dǎo)線(xiàn)斷裂對(duì)輸電塔最為不利，因此，首先以上導(dǎo)線(xiàn)（導(dǎo)線(xiàn)1）斷裂作為基本工況進(jìn)行斷線(xiàn)動(dòng)力響應(yīng)的研究。斷裂位置靠近直線(xiàn)塔1，具體位置如圖1所示。為了準(zhǔn)確地反映輸電塔斷線(xiàn)后的受力狀況，現(xiàn)將基底平面上沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的支反力合力和其在基底中心繞3個(gè)坐標(biāo)軸的合力矩變化情況列于表2中，其中，Y軸正方向?yàn)轫標(biāo)€(xiàn)方向，X軸正方向?yàn)榇怪庇谒€(xiàn)方向，Z軸正方向?yàn)樨Q直方向。

從表2可以得出斷線(xiàn)后輸電塔的受力狀況。從基底支反力合力可以看出，斷線(xiàn)后沿Y軸方向的合力變化最為明顯，所以，斷線(xiàn)后的不平衡張力主要影響其順導(dǎo)線(xiàn)方向的受力狀態(tài);斷線(xiàn)對(duì)沿Z軸方向的合力影響較弱，主要是由所承受的導(dǎo)線(xiàn)重量減輕所致;而導(dǎo)線(xiàn)斷裂對(duì)沿X軸方向合力基本不產(chǎn)生作用。

從合力矩的變化情況中可以看出，斷線(xiàn)主要使輸電塔繞X軸彎曲。輸電塔繞Z軸的扭轉(zhuǎn)與其彎曲破壞相比較小。繞Y軸的力矩變化最小，導(dǎo)致其變化的原因主要是，導(dǎo)線(xiàn)斷裂后，兩側(cè)橫擔(dān)受力不再相等（斷線(xiàn)一側(cè)橫擔(dān)承受的導(dǎo)線(xiàn)重力較?。?。對(duì)支反力的分析說(shuō)明斷線(xiàn)后輸電塔在不平衡張力作用下發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，并且彎曲破壞比扭轉(zhuǎn)破壞更為嚴(yán)重。

為了進(jìn)一步研究不同工況下單根輸電線(xiàn)斷裂對(duì)輸電塔的影響，分別使地線(xiàn)1、導(dǎo)線(xiàn)1、導(dǎo)線(xiàn)2、導(dǎo)線(xiàn)3斷裂，得到各工況下輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)。由于斷線(xiàn)造成的影響主要為縱向不平衡張力，且上述研究表明Y向支反力合力的變化最為顯著，所以，將其設(shè)為評(píng)價(jià)輸電塔整體受力狀態(tài)的指標(biāo)。此外，用塔頂順導(dǎo)線(xiàn)方向最大位移和斷裂導(dǎo)線(xiàn)所連橫擔(dān)末端順導(dǎo)線(xiàn)方向最大位移作為衡量輸電塔變形情況的指標(biāo)來(lái)全面綜合地反映斷線(xiàn)后輸電塔的響應(yīng)狀況，所得結(jié)果如表3所示。

通過(guò)對(duì)比得出，導(dǎo)線(xiàn)斷裂對(duì)輸電塔造成的沖擊比地線(xiàn)斷裂大得多，主要是由于地線(xiàn)的質(zhì)量與導(dǎo)線(xiàn)相比太小。導(dǎo)線(xiàn)在不同位置斷裂對(duì)基底支反力的影響不大，但對(duì)橫擔(dān)末端及塔頂位移的影響十分顯著。通過(guò)橫擔(dān)末端及塔頂?shù)奈灰瓶梢钥闯?，上部?dǎo)線(xiàn)斷裂對(duì)輸電塔的沖擊影響最大，下部導(dǎo)線(xiàn)斷裂的沖擊作用最小。

2.2 多根導(dǎo)線(xiàn)斷裂后輸電塔的受力分析

葛緒章[16]曾對(duì)多根輸電線(xiàn)斷裂的最不利工況進(jìn)行過(guò)研究，現(xiàn)將其成果列于表4，并作為研究工況。根據(jù)上文對(duì)斷線(xiàn)后輸電塔受力狀態(tài)的研究，接下來(lái)使用支反力在基底中心處繞X軸的合力矩來(lái)衡量塔身彎曲的程度;采用支反力在基底中心處繞Z軸的合力矩來(lái)衡量塔身扭轉(zhuǎn)的程度，并用兩者之比來(lái)反映斷線(xiàn)后兩種破壞模式的比例。與上文相同，依舊使用塔頂順導(dǎo)線(xiàn)方向最大位移和橫擔(dān)末端順導(dǎo)線(xiàn)方向最大位移來(lái)反映輸電塔斷線(xiàn)后的變形情況。將不同工況下的計(jì)算結(jié)果列于表5和表6中。

通過(guò)對(duì)比可以看出，隨著斷線(xiàn)根數(shù)的增多，塔體所受的沖擊作用越來(lái)越強(qiáng)。各工況下，塔身所受的破壞均以彎曲破壞為主。隨著斷線(xiàn)根數(shù)的增加，扭轉(zhuǎn)破壞的比重有所增加，尤其當(dāng)斷裂導(dǎo)線(xiàn)的根數(shù)由1根變?yōu)?根時(shí)，扭轉(zhuǎn)破壞程度增加十分明顯。當(dāng)斷裂導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)為2根及2根以上時(shí)，基底中心繞X軸合力矩與繞Z軸合力矩之比穩(wěn)定在5∶1左右。

3 沖擊系數(shù)分析

為探究不同工況下塔身各部分桿件在輸電線(xiàn)斷裂后的受力變化情況，將單導(dǎo)線(xiàn)斷裂和多根導(dǎo)線(xiàn)斷裂后塔身不同位置的沖擊系數(shù)分別繪于圖3和圖4中。其中，沖擊系數(shù)的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：Nm為斷線(xiàn)后桿件軸力的最大值（其中，壓力為負(fù)，拉力為正）;N0為正常運(yùn)行時(shí)桿件軸力（其中，壓力為負(fù)，拉力為正）。

由圖3可以看出，單根導(dǎo)線(xiàn)斷裂時(shí)，斷裂導(dǎo)線(xiàn)所連橫擔(dān)上方的塔身受到的沖擊作用較小，下方塔身受到的沖擊作用較大，這說(shuō)明斷線(xiàn)后斷裂導(dǎo)線(xiàn)所連橫擔(dān)以上的塔身隨橫擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)，而其下方的塔身則因?qū)ζ溥\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用而受到較大的沖擊。受到?jīng)_擊最大的桿件一般位于斷裂導(dǎo)線(xiàn)所連橫擔(dān)與其下方相鄰橫擔(dān)之間的一段塔身的底部。橫擔(dān)處的塔身主材與其相鄰的兩根主材相比所受沖擊明顯較小。在各工況中，地線(xiàn)斷裂造成的沖擊最小，上方導(dǎo)線(xiàn)斷裂造成的沖擊最大，斷裂導(dǎo)線(xiàn)距地面越近，對(duì)輸電塔造成的沖擊越小，該結(jié)論與上一節(jié)中由塔頂位移得出的結(jié)論一致。

多根導(dǎo)線(xiàn)斷裂后塔身不同位置主材的沖擊系數(shù)如圖4所示?？梢钥闯觯S著斷裂導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)增加，塔身受到的沖擊越來(lái)越嚴(yán)重。同時(shí)，不同工況下塔身?yè)p傷最嚴(yán)重的部位也有所改變。當(dāng)僅1根導(dǎo)線(xiàn)斷裂時(shí)，上橫擔(dān)和中間橫擔(dān)之間的塔身所受沖擊最為嚴(yán)重;當(dāng)2根及以上導(dǎo)線(xiàn)斷裂時(shí)，塔身的破壞情況比較相似，受到的沖擊比較嚴(yán)重部位均為腰部以上的塔身。其中，中間橫擔(dān)和下橫擔(dān)之間的塔身所受沖擊最嚴(yán)重。相鄰兩個(gè)橫擔(dān)之間的塔身下部主材比上部主材受到的破壞嚴(yán)重，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些部位的保護(hù)。

4 與規(guī)范對(duì)比分析

《架空送電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[17]給出絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的安全系數(shù)K1在斷線(xiàn)情況下應(yīng)不小于1.8。其中，斷線(xiàn)時(shí)的氣象條件是無(wú)風(fēng)、有冰、-5 ℃，且應(yīng)按式（3）計(jì)算。

式中：TR為絕緣子的額定機(jī)械破壞負(fù)荷，kN;T為絕緣子承受的斷線(xiàn)荷載，kN。導(dǎo)線(xiàn)的斷線(xiàn)張力是指架空線(xiàn)路斷線(xiàn)后的殘余張力。規(guī)范規(guī)定，10 mm及以下冰區(qū)單導(dǎo)線(xiàn)斷線(xiàn)張力應(yīng)取導(dǎo)線(xiàn)最大使用張力的50%。計(jì)算時(shí)，垂直冰荷載取100%設(shè)計(jì)覆冰荷載，且各類(lèi)桿塔在斷線(xiàn)情況下的斷線(xiàn)張力應(yīng)按靜態(tài)荷載計(jì)算。

在有限元模型中，由于將四分裂導(dǎo)線(xiàn)簡(jiǎn)化為單導(dǎo)線(xiàn)，所以，將模擬結(jié)果與規(guī)范中對(duì)單導(dǎo)線(xiàn)斷線(xiàn)張力的規(guī)定進(jìn)行對(duì)比。實(shí)際工程的覆冰厚度為10 mm，通過(guò)增加導(dǎo)線(xiàn)密度模擬了覆冰荷載，其斷線(xiàn)后的結(jié)果如表7和表8所示。

由表7和表8可以看出，模擬出的結(jié)果與規(guī)范的規(guī)定值十分接近。但是按規(guī)范進(jìn)行取值并按靜荷載計(jì)算斷線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響只能保證斷線(xiàn)情況下塔線(xiàn)體系平穩(wěn)后結(jié)構(gòu)安全，并不能確保結(jié)構(gòu)在斷線(xiàn)動(dòng)力沖擊下依然安全。斷線(xiàn)后，導(dǎo)線(xiàn)的最大張力超過(guò)了其最大使用張力，絕緣子串的拉力也超過(guò)其機(jī)械強(qiáng)度。因此，斷線(xiàn)的沖擊作用會(huì)導(dǎo)致絕緣子串?dāng)嗔?，引起線(xiàn)路斷電等事故。

由此可見(jiàn)，按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)不夠安全。設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行分析和驗(yàn)算，以確保塔線(xiàn)體系可以承受斷線(xiàn)帶來(lái)的沖擊作用。

5 結(jié)論

通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立了“四塔三線(xiàn)”塔線(xiàn)體系模型，并對(duì)不同斷線(xiàn)工況進(jìn)行模擬。通過(guò)分析基底支反力合力和合力矩，總結(jié)了斷線(xiàn)后輸電塔受力狀態(tài)，并結(jié)合塔頂位移和橫擔(dān)末端位移來(lái)反映輸電塔斷線(xiàn)后的變形情況，評(píng)估了斷線(xiàn)后輸電塔的動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)引入沖擊系數(shù)，反映了斷線(xiàn)后塔身主材的受力變化情況，得到了塔身不同位置處桿件的沖擊系數(shù)，總結(jié)了斷線(xiàn)后塔身各部分所受的沖擊。最后，通過(guò)將模擬結(jié)果與規(guī)范對(duì)比，指出現(xiàn)有規(guī)范的不足。結(jié)論如下：

1）斷線(xiàn)對(duì)輸電塔產(chǎn)生的破壞主要為彎曲破壞和扭轉(zhuǎn)破壞，且順?biāo)€(xiàn)方向的彎曲破壞程度大于扭轉(zhuǎn)破壞程度。

2）上部導(dǎo)線(xiàn)斷裂所造成的沖擊最為嚴(yán)重。斷裂導(dǎo)線(xiàn)距離地面越近，對(duì)輸電塔造成的沖擊越小。單根導(dǎo)線(xiàn)斷裂后，所受沖擊最大的部位為斷裂導(dǎo)線(xiàn)所連橫擔(dān)與其下方相鄰橫擔(dān)之間的一段塔身，且該段塔身的底部主材受損最為嚴(yán)重。

3）斷線(xiàn)根數(shù)越多，斷線(xiàn)產(chǎn)生的沖擊作用越大。雖然不同斷線(xiàn)根數(shù)下彎曲破壞占主導(dǎo)地位，但隨著斷線(xiàn)根數(shù)增多，扭轉(zhuǎn)破壞所占比例有所增加。多根導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生斷裂時(shí)，各橫擔(dān)之間的塔身為破壞最嚴(yán)重的部位，且各段塔身下部主材所受沖擊最大。

4）覆冰斷線(xiàn)模擬結(jié)果與規(guī)范十分接近，但按規(guī)范取值并通過(guò)靜力方法計(jì)算斷線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不能確保結(jié)構(gòu)在斷線(xiàn)動(dòng)力沖擊下依然安全。應(yīng)開(kāi)展動(dòng)態(tài)模擬分析，以保證結(jié)構(gòu)的可靠度。

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（編輯 章潤(rùn)紅）