有限元分析方法在鐵塔安全性評(píng)估中的應(yīng)用

汪 楚 清

(寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川 750000)

有限元分析方法在鐵塔安全性評(píng)估中的應(yīng)用

汪 楚 清

(寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川 750000)

對(duì)某輸電線路工程中兩基鐵塔上安裝載人登塔設(shè)備的問(wèn)題作了研究,利用有限元軟件ANSYS，對(duì)安裝登塔設(shè)備后鐵塔的安全性進(jìn)行了評(píng)估，分析結(jié)果表明，安裝智能登塔設(shè)備對(duì)鐵塔的安全性沒(méi)有影響。

輸電鐵塔，登塔設(shè)備，有限元分析，安全性評(píng)估

隨著特高壓、超高壓線路的建設(shè)，線路運(yùn)行檢修經(jīng)常需要攀爬鐵塔，當(dāng)鐵塔高度超過(guò)50 m時(shí)，登塔檢修工作強(qiáng)度將成倍增加，工作效率越來(lái)越低，而且給作業(yè)人員帶來(lái)較大的安全隱患。因此，采用機(jī)械裝備代替人力登塔將成為今后電力檢修工作的發(fā)展方向[1-4]。為進(jìn)一步推廣便攜式載人登塔設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱登塔設(shè)備)在寧夏輸電線路檢修中的應(yīng)用，寧夏電力公司檢修公司2012年啟動(dòng)“輸電線路便攜式載人登塔設(shè)備研發(fā)”項(xiàng)目，計(jì)劃在已帶電運(yùn)行的±660 kV銀川東直流輸電線路2號(hào)塔及750 kV靈川Ⅰ，Ⅱ雙回輸電線路32號(hào)塔兩基鐵塔上對(duì)登塔設(shè)備進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。

兩基塔分別為ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高為52 m)，設(shè)計(jì)條件均為27 m/s風(fēng)速，10 mm覆冰。雖然這兩基鐵塔實(shí)際使用的水平檔距和垂直檔距比設(shè)計(jì)條件要小一些，即鐵塔具有一定的安全裕度，但由于鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)未考慮登塔設(shè)備這部分的負(fù)載，很難根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷安全裕度是否滿足安裝要求。為保證登塔設(shè)備的順利安裝，需對(duì)這兩基鐵塔的安全性和可靠性進(jìn)行全面的評(píng)估。

1 鐵塔安全評(píng)估方法現(xiàn)狀

從評(píng)估手段上講，目前有真型塔試驗(yàn)和計(jì)算分析兩種。真型塔試驗(yàn)一般是為了驗(yàn)證施工、設(shè)計(jì)的合理性以及力學(xué)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性[5]，但由于其成本較高，且對(duì)于一些非控制鐵塔受力的輔助設(shè)施進(jìn)行真型塔試驗(yàn)也沒(méi)必要，因此目前主要還是采用計(jì)算分析最多。計(jì)算分析按鐵塔受力特點(diǎn)，分局部受力分析和整體受力分析兩種。局部受力分析適用于鐵塔上局部桿件承受集中荷載情況，該荷載對(duì)鐵塔整體性能影響不大，此時(shí)可對(duì)局部桿件按軸心受力或受彎進(jìn)行手工計(jì)算，這在工程實(shí)際中應(yīng)用較多，如周磊等[6]采用局部分析方法對(duì)在鐵塔橫擔(dān)部位安裝中繼系統(tǒng)設(shè)備的主要支撐構(gòu)件的安全性能進(jìn)行了分析。對(duì)于整體受力分析，由于鐵塔屬于超靜定結(jié)構(gòu)，往往需要利用線性或非線性程序進(jìn)行分析，如汪楚清等[7]利用ANSYS有限元分析方法對(duì)大跨越輸電鋼管塔的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了安全性分析。

由于登塔設(shè)備對(duì)鐵塔產(chǎn)生的附加荷載沿塔身分布，可能對(duì)連接處鐵塔主材、斜材或橫隔材受力影響最大，而附屬荷載不方便導(dǎo)入鐵塔設(shè)計(jì)軟件TTA中，對(duì)這種近似分布式集中荷載的整塔計(jì)算分析帶來(lái)很大的難度?？紤]到目前鐵塔設(shè)計(jì)屬于線彈性計(jì)算，按線彈性理論，可以將附屬荷載引起的各桿件內(nèi)力的變化與設(shè)計(jì)條件下的桿件內(nèi)力進(jìn)行疊加，以桿件屈服強(qiáng)度為界限判斷桿件是否破壞，如破壞，則需加強(qiáng)。而附屬荷載引起的桿件內(nèi)力的變化部分，利用有限元分析方法將大大降低計(jì)算難度，因此本文采用基于ANSYS軟件的有限元分析方法和手工計(jì)算相結(jié)合的方式對(duì)整塔的安全性進(jìn)行評(píng)估。

2 登塔設(shè)備結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

如圖1所示，登塔設(shè)備主要由導(dǎo)向架、攀爬機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、連接件和夾具六部分組成。導(dǎo)向架作為攀爬機(jī)上下運(yùn)行的軌道，永久固定在一側(cè)鐵塔上。攀爬機(jī)安裝在導(dǎo)軌上，通電的傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)齒輪與導(dǎo)軌間的嚙合作用為攀爬機(jī)的上下提供動(dòng)力，完成運(yùn)輸人員或貨物的工作。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)起固定導(dǎo)向架作用，連接件通過(guò)夾具固定在交叉斜材上以增加登塔設(shè)備的水平剛度，防止攀爬機(jī)爬升或下降時(shí)產(chǎn)生晃動(dòng)。

設(shè)備性能參數(shù)：導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)單位重量35 kg/m，夾具和連接件單位重量14 kg/m，額定負(fù)載100 kg，額定提升速度0.2 m/s，防墜落裝置的額定動(dòng)作速度0.7 m/s，機(jī)體質(zhì)量50 kg。

3 解決方案

根據(jù)前面的分析，利用ANSYS軟件單獨(dú)計(jì)算出在附加荷載作用下的整塔桿件內(nèi)力，然后與TTA桿件數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，因此附加荷載的計(jì)算和其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用影響成為安全性評(píng)估的關(guān)鍵。

3.1 附加荷載分析

登塔設(shè)備引起的附加荷載包括自重和風(fēng)荷載，自重包括：1)導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)自重；2)連接件自重；3)攀爬機(jī)自重和負(fù)載。風(fēng)荷載包括：1)導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)風(fēng)荷載；2)連接件風(fēng)荷載。由于登塔設(shè)備安裝在鐵塔側(cè)面，最不利風(fēng)為90°大風(fēng)，即垂直于線路方向的橫向風(fēng)。

3.2 有限元建模和附加荷載的分配

利用ANSYS軟件，分別建立ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高52 m)有限元模型,由于登塔裝置引起的附加荷載主要控制桿塔主材和斜材的受力，因此有限元模型不建立橫擔(dān)。有限元模型中所有主材和斜材全部采用Beam189梁?jiǎn)卧瑱M隔材采用Link8單元。

考慮到導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)基本在每個(gè)斜材匯交附近處由連接件固定，因此將導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在斜材交匯處分為不等長(zhǎng)的各段，然后將各段導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的自重、風(fēng)荷載平均分配到與之相連的交叉點(diǎn)上；同時(shí)由于連接件靠近交叉點(diǎn)較近，近似將其自重和風(fēng)荷載也由相近的交叉點(diǎn)承擔(dān)。如圖2中的圓圈所示，附加荷載全部轉(zhuǎn)化成集中力并施加在交叉點(diǎn)上。

3.3 荷載的計(jì)算

限于篇幅，以ZP2713(呼高78 m)為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程。

1)重力。導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)35 kg/m，連接件14 kg/m，各段長(zhǎng)度按圖紙取值。

2)風(fēng)荷載。依據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[8]對(duì)桿塔風(fēng)荷載相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算風(fēng)速27 m/s，導(dǎo)向架和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)件為鋼管，體型系數(shù)μs=1.1；連接件為角鋼，體型系數(shù)μs=1.3，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中規(guī)定B類地面粗糙度進(jìn)行取值，為方便計(jì)算，取風(fēng)振系數(shù)βz=1.6，覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)B=1.2，構(gòu)件擋風(fēng)面積和各段長(zhǎng)度按圖紙取值。

3)攀爬機(jī)自重與負(fù)載。根據(jù)登塔設(shè)備性能參數(shù)，登載設(shè)備荷載自重50 kg,額定負(fù)荷重量100 kg，總重150 kg。正常提升或下降速度為0.2 m/s,而防墜落制動(dòng)速度為0.7 m/s，因此墜落制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力最大。制動(dòng)距離越小，荷載越大，最小制動(dòng)距離為0.25 m,經(jīng)計(jì)算最大制動(dòng)荷載為2.5 kN，計(jì)算時(shí)將其掛在塔頂。掛點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖3，掛點(diǎn)荷載見(jiàn)表1，可以看出不同高度處的等效附加荷載大小都不同，其中制動(dòng)荷載最大。

表1 附加荷載表

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

附加荷載引起各桿件軸力分布圖見(jiàn)圖4，其中壓為負(fù)，拉為正，可以看出塔安裝側(cè)主材受壓，另一側(cè)受拉，符合實(shí)際受力情況，壓軸力最大為62.6 kN, 拉軸力最大為46.3 kN。根據(jù)TTA計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力比超過(guò)80%的構(gòu)件，利用ANSYS后處理技術(shù)，提取了相應(yīng)桿件的軸力，并和TTA結(jié)果疊加，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主要桿件的計(jì)算應(yīng)力

桿件序號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)力/MPa附加應(yīng)力/MPa允許應(yīng)力/MPa總應(yīng)力/MPa應(yīng)力比1-269.7-2.39307.7-272.090.882-259-3.08307.7-262.080.853-271.3-0.61310-271.910.884-250.7-0.14310-250.840.815-296.81.17310-295.630.956-267.41.61310-265.790.867-262.9-1.48310-264.380.858-296.81.79310-295.010.959210.8-0.2310210.60.6810-288.20.12310-288.080.9311-243.10.11274.7-242.990.8812-332-4.9364.2-336.90.9313-253.60.06310-253.540.8214-268.6-0.88310-269.480.8715-291.5-0.34310-291.840.9416-2533.06310-249.940.8117-249.62.22310-247.380.818-358.6-5.11380-363.710.9619-359.6-6.29380-365.890.9620-175.6-0.61215-176.210.8221-186.4-0.54215-186.940.8722-355.5-6.1371.3-361.60.9723-336.6-6.57371.3-343.170.9224-354.1-7.43371.3-361.530.9725-177.70.08215-177.620.8326-198.91.56215-197.340.9227-184.3-1.91215-186.210.8728-206.32.16215-204.140.9529-186.32.52215-183.780.8530-298.3-0.79310-299.090.9631-253.51.56310-251.940.8132-325.7-7.12380-332.820.8833-340.1-8.07380-348.170.9234-187.4-0.56215-187.960.8735-178.81.14215-177.660.8336-309.4-7.86380-317.260.8337-309.4-7.86380-317.260.8338-321.6-8.71379.7-330.310.8739-363.2-6.48379.7-369.680.9740-347-9.88379.7-356.880.94

從表2中可以看出:登塔設(shè)備引起的附加荷載對(duì)安裝側(cè)塔腿和變坡附近處主材的應(yīng)力影響最大，應(yīng)力最大增加2.6%，對(duì)斜材受力影響較小，原因是斜材普遍剛度較大，荷載直接傳遞到主材上，疊加后主材應(yīng)力比最大為97%，未超過(guò)允許應(yīng)力。

ZGU2(呼高52 m)采用同樣的分析方法得到:附加荷載對(duì)安裝側(cè)的主材應(yīng)力影響最大，應(yīng)力最大增加1.88%，其他橫隔材和斜材應(yīng)力變化較小;疊加后主材應(yīng)力比最大為96%，未超過(guò)允許應(yīng)力。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)本文的分析結(jié)論，寧夏電力公司檢修公司已經(jīng)于2013年在寧夏地區(qū)已建且?guī)щ娺\(yùn)行的750 kV和±660 kV輸電線路中的兩基鐵塔上安裝了登塔設(shè)備，目前該鐵塔運(yùn)行良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足鐵塔的設(shè)計(jì)要求，證明了本文的分析方法是有效可靠的。

5 結(jié)語(yǔ)

1)登塔設(shè)備引起的附加荷載對(duì)ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高52 m)的安全性能不構(gòu)成威脅，可以進(jìn)行安裝。

2)登塔設(shè)備引起的附加荷載主要對(duì)安裝側(cè)塔腿和變坡處主材的受力影響最大，對(duì)斜材和橫隔材的影響可忽略不計(jì)。

3)登塔裝置在帶電運(yùn)行鐵塔上的順利安裝，說(shuō)明了本文提出的分析方法是行之有效的，為登塔裝置的大范圍推廣應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐及保證。

4)本文采用的分析方法同樣適用于對(duì)安裝其他復(fù)雜的附屬設(shè)施的鐵塔的安全評(píng)估分析。

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Abstract: The paper studies manned plethora device installed on the two basic steel towers in the power transmission line engineering, and evaluates the steel tower safety after installed plethora device by applying finite element software ANSYS. The analysis results show that: there is no impact upon steel tower safety by installing intelligent plethora device.

Key words: power transmission steel tower, plethora device, finite element analysis, safety evaluation

Application of finite element analysis method in safety evaluation of steel tower

Wang Chuqing

(NingxiaElectricPowerDesignInstitute,Yinchuan750000,China)

2016-03-15

汪楚清(1985- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2016)15-0044-03

TU473.1

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