黃曉予 阮筱菲 陳俊

（1 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 福建福州 350013 2 中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

福建省地處東南沿海，自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其以臺(tái)風(fēng)為盛，屢次對(duì)福建電網(wǎng)造成重大沖擊。臺(tái)風(fēng)登陸后，線路可能因風(fēng)偏、外力、絕緣子串?dāng)嗔?、斷線、桿塔損壞等發(fā)生跳閘，較之其他故障原因，桿塔損壞搶修時(shí)間長(zhǎng)、成本高，對(duì)電網(wǎng)安全影響嚴(yán)重，故提高桿塔的抗風(fēng)能力對(duì)于輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

對(duì)于運(yùn)行多年的輸電塔，拆除重建和原位加固均能提高抗風(fēng)能力，但是前者投資高、工期長(zhǎng)、停電時(shí)間久，后者相比更具優(yōu)勢(shì)。

對(duì)輸電塔上部結(jié)構(gòu)的原位加固方法主要分為2 大類：①增加輔助支撐；②增大截面法。本文將結(jié)合2016 年莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)中倒塔的廈門220 kV 李西線受損塔型，對(duì)比分析2 種加固方法的特性。

1 分析對(duì)象

2016 年9 月15 日，1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂登陸廈門，造成220 kV 李西線5 基鐵塔倒塌、3 基塔頭嚴(yán)重破壞，并伴隨導(dǎo)線、地線、光纜斷裂。受損塔型為ZM1 和ZM2，執(zhí)行《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（SDGJ 94—1990）規(guī)范，重現(xiàn)期15 a，設(shè)計(jì)風(fēng)速35 m/s（15 a 一遇，離地高度15 m）。

池金明等［1］對(duì)上述塔型進(jìn)行了倒塔分析，正常設(shè)計(jì)風(fēng)速下，桿塔應(yīng)力比均小于1.0，滿足承載力要求；在莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)V=46.8 m/s（3 s 平均風(fēng)速）作用下，桿塔塔身多段應(yīng)力比超限，主要分布在塔頭頂部、變坡處、塔腿隔面附件位置。

為提高該線路的抗臺(tái)風(fēng)能力，擬對(duì)ZM2 塔型進(jìn)行加固處理。考慮受臺(tái)風(fēng)影響，將輸入條件中的基本風(fēng)速放大至V=37 m/s（離地10 m 高，10 min 平均風(fēng)速），該風(fēng)速相當(dāng)于莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)V=46.8 m/s（3 s 平均風(fēng)速）。由于分析對(duì)象為現(xiàn)存輸電塔，因此不考慮安裝工況。選取具有代表性的超限主材，荷載、應(yīng)力比及其他參數(shù)見表1。

表1 原始ZM2 主材參數(shù)

結(jié)果顯示塔身主材均為穩(wěn)定控制，應(yīng)力比達(dá)到1.5～3.2，超限嚴(yán)重，無(wú)法滿足承載力要求，即無(wú)法抵御相當(dāng)于V=46.8 m/s的莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)荷載。下文將采用2 種方式對(duì)其進(jìn)行加固處理，分析加固效果。

2 增加輔助支撐

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)有穩(wěn)定控制和強(qiáng)度控制2 種，塔身主材多為穩(wěn)定控制。由于穩(wěn)定系數(shù)與計(jì)算長(zhǎng)度成反相關(guān)，與失穩(wěn)方向的回轉(zhuǎn)半徑成正相關(guān)，通過(guò)增加構(gòu)件的輔助支撐來(lái)減小計(jì)算長(zhǎng)度或者增加回轉(zhuǎn)半徑，均可提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。

如圖1 塔身主材兩節(jié)間，增加輔助材成四節(jié)間，計(jì)算長(zhǎng)度減半。如圖2 橫隔水平材加固前繞角鋼平行軸失穩(wěn)（計(jì)算長(zhǎng)度為塔身寬），增加側(cè)向支撐后，破壞模式為繞角鋼最小軸的失穩(wěn)（計(jì)算長(zhǎng)度為塔身寬度的1/2）。

圖1 減小計(jì)算長(zhǎng)度

圖2 改變失穩(wěn)方向

增設(shè)的輔助材規(guī)格由平衡法確定，并滿足長(zhǎng)細(xì)比的限值要求。根據(jù) 《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5486—2020），新輔助材在其支撐點(diǎn)所提供的支撐力占被支撐材最大軸壓力的百分?jǐn)?shù)p，按照式（1）計(jì)算。

式中：λ 為被支撐材的長(zhǎng)細(xì)比，當(dāng)受力材之間的夾角＜25°時(shí)，輔助材在支撐點(diǎn)所提供的支撐力應(yīng)予以適當(dāng)提高或通過(guò)試驗(yàn)確定。

按照上述方式，對(duì)ZM2 塔身主材進(jìn)行改造，加固后的應(yīng)力比及其他參數(shù)見表2。對(duì)比表1 原始參數(shù)，分析桿件5～8，失穩(wěn)方向改為平行軸后，增加了構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑，應(yīng)力比降低6%；分析桿件1～4，改變失穩(wěn)方向的同時(shí)，降低計(jì)算長(zhǎng)度，使穩(wěn)定系數(shù)提高17%～125%，應(yīng)力比降低34%～54%，加固效果明顯。主要原因是改變失穩(wěn)方向和降低計(jì)算長(zhǎng)度均可減小長(zhǎng)細(xì)比，提高穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)而降低穩(wěn)定控制時(shí)的應(yīng)力比。但是主材應(yīng)力比大于1.0，仍然無(wú)法滿足基本風(fēng)速為V=37 m/s 時(shí)的穩(wěn)定承載力要求。

表2 增加輔助支撐加固ZM2 主材參數(shù)

3 增大截面法

在需加固主材（單角鋼）的外側(cè)對(duì)角方向拼接新角鋼，形成雙軸對(duì)稱的十字形組合截面，4 根主材橫截面示意見圖3。雙拼角鋼之間采用十字形填板螺栓連接，或者采用正交錯(cuò)開的一字型填板螺栓連接（圖3 未示出）。根據(jù)平面內(nèi)剛度與平面外等強(qiáng)原則，且為了滿足雙軸對(duì)稱，新角鋼的規(guī)格保持與原主材一致。

圖3 增大截面法

對(duì)ZM2 塔身主材采用增大截面法進(jìn)行加固，在原主材外側(cè)增設(shè)相同規(guī)格的角鋼，組成十字形雙拼角鋼。同樣輸入V=37 m/s 的基本風(fēng)速，荷載工況同原始模型，選取相同主材桿件進(jìn)行對(duì)比，加固后的應(yīng)力比及其他參數(shù)見表3，可知雙拼角鋼橫截面積翻倍后，失穩(wěn)方向和計(jì)算長(zhǎng)度不變的情況下，盡管軸壓力由于自重而增加，但是穩(wěn)定系數(shù)提高21%～92%，應(yīng)力比降低51%～74%，加固效果十分明顯，應(yīng)力比也滿足承載力要求。

表3 增大截面法加固ZM2 主材參數(shù)

以設(shè)計(jì)風(fēng)速衡量加固效果：從改造前的V=33 m/s（離地10 m高），提高到V=37 m/s，幅度約12%；以設(shè)計(jì)風(fēng)壓衡量，能抵抗的風(fēng)壓提高幅度約25%；能夠承受2016 年莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)瞬時(shí)風(fēng)速V=46.8 m/s（時(shí)距3 s）的大風(fēng)荷載，即增大截面法加固顯著提升了桿塔的抗風(fēng)能力。

相比之下，增大截面法較增加輔助支撐更具優(yōu)勢(shì)，因此建議采用前者對(duì)現(xiàn)存桿塔進(jìn)行改造加固，或疊加使用。

4 施工工藝

對(duì)于增加輔助支撐法，在主材或其他需加固桿件對(duì)應(yīng)位置增設(shè)螺栓孔，比大截面法加固組裝示意圖安裝新輔助材即可。對(duì)于增大截面法，工藝相對(duì)復(fù)雜。增大截面法加固組裝示意圖如圖4 所示，操作流程如下。

圖4 增大截面法加固組裝示意圖

（1）在原主材角鋼21○與外拼接角鋼22○的雙肢上新增螺栓孔，孔徑相同，位置對(duì)齊，且與原主材的橫撐接頭錯(cuò)開。

（2）利用填板24○及緊固螺栓25○將原主材角鋼和外拼接角鋼沿對(duì)角固定，如A-A 剖面所示。

（3）在外拼角鋼的變斷面接頭處采用十字形節(jié)點(diǎn)板23○與原主材螺栓連接，最終加固段整體組成十字形截面。

根據(jù)桿塔設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需滿足：①填板間距L 不應(yīng)超過(guò)40 ri（ri 為單根角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑），且節(jié)間長(zhǎng)度不宜大于3.0 m；②拼接而成的十字形組合構(gòu)件，其兩個(gè)側(cè)向支撐點(diǎn)之間的填板數(shù)量不得少于2 個(gè)，且沿桿件長(zhǎng)度均勻交錯(cuò)布置；③外拼接加固角鋼變斷面連接處應(yīng)和原主材接頭處完全錯(cuò)開，且保留一定接頭距離。

廈門220 kV 李西線增大截面法加固之后的現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖5，新舊角鋼之間采用正交錯(cuò)開的一字型填板螺栓連接，外拼新角鋼接頭處為十字形節(jié)點(diǎn)板，且與原主材接頭錯(cuò)開，至今運(yùn)行良好。

圖5 李西線主材加固現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

（1）增設(shè)輔助支撐可減小構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，改變失穩(wěn)方向可增加回轉(zhuǎn)半徑，兩者均提高了構(gòu)件的穩(wěn)定承載力，但是對(duì)于ZM2 塔型，仍無(wú)法抵抗莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)的瞬時(shí)風(fēng)載。

（2）增大截面法通過(guò)填板及螺栓將原單角鋼組成十字形雙拼角鋼，ZM2 塔型部分主材應(yīng)力相比加固前下降幅度達(dá)50%以上，可以抵抗的基本風(fēng)速提高幅度達(dá)12%，顯著提高了桿塔的抗風(fēng)能力。

（3）增大截面法的加固效果較增加輔助支撐更具優(yōu)勢(shì)，加固后可抵抗莫蘭蒂臺(tái)風(fēng)V=46.8 m/s 的瞬時(shí)風(fēng)載，建議采用此法對(duì)運(yùn)行多年的桿塔進(jìn)行原位加固。

（4）增大截面法加固的施工工藝相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)需滿足填板間距、數(shù)量及接頭錯(cuò)開的要求，才能保證良好的加固效果。