風(fēng)荷載作用下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征分析

張博 馬杰 李夢(mèng)麗 艾文君 劉博

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；

2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南鄭州 450052）

風(fēng)荷載作用下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征分析

張博1馬杰2李夢(mèng)麗1艾文君1劉博1

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；

2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南鄭州 450052）

風(fēng)害是引起輸電桿塔故障的重要原因之一。研究風(fēng)荷載作用下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征，明確風(fēng)害造成輸電桿塔故障的機(jī)理，對(duì)于輸電桿塔風(fēng)害的防治具有重要的作用和意義。基于此，以典型的500kV超高壓CJ1-30型耐張塔為例，建立有限元分析模型，對(duì)不同風(fēng)荷載條件下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，桿塔主材的坡面過渡位置是受力的薄弱點(diǎn)，并建議電網(wǎng)運(yùn)行單位在年度運(yùn)維檢修中予以重點(diǎn)關(guān)注。關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；輸電桿塔；應(yīng)力分布

風(fēng)害是引起輸電桿塔故障的重要原因之一。由于自然災(zāi)害的影響，輸電線路的倒塔次數(shù)和基數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)［1-3］。例如，1989年8月13日華東電網(wǎng)某500kV鎮(zhèn)江段4基桿塔倒塔；1992年和1993年發(fā)生2次大風(fēng)致500kV輸電線路倒塔事故；1998年8月22日，華東電網(wǎng)某500kV線路江都段4基桿塔倒塔；2000年7月21日，吉林電網(wǎng)10基500kV桿塔因遭受龍卷風(fēng)、暴雨和冰雹侵襲發(fā)生倒塔。因此，研究風(fēng)荷載作用下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征，明確風(fēng)害造成輸電桿塔故障的機(jī)理，對(duì)于輸電桿塔風(fēng)害的防治具有重要的作用和意義。

1 典型耐張塔的有限元建模

輸電鐵塔按照在輸電線路中的作用不同，分為直線塔、轉(zhuǎn)角塔、耐張塔和終端塔等。不同塔型的受力特點(diǎn)亦互不相同。相對(duì)而言，轉(zhuǎn)角塔和耐張塔的受力條件相對(duì)比較苛刻［4，5］。

雖然在設(shè)計(jì)階段，轉(zhuǎn)角塔和耐張塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)比直線塔有所提高。但是，實(shí)際故障中，耐張塔和轉(zhuǎn)角塔的故障比例依然較高。因此，本文主要以耐張塔為例，分析桿塔在風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力分布特征，分析選用桿塔

塔型為CJ1-30，如圖1所示。

圖1 CJ1-30鐵塔實(shí)景

在設(shè)計(jì)規(guī)程中，鐵塔的強(qiáng)度計(jì)算一般將其簡(jiǎn)化為空間桁架結(jié)構(gòu)，也有的將鐵塔簡(jiǎn)化為空間梁結(jié)構(gòu)。為了使模型更加接近實(shí)際情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)中各相鄰桿件之間的連接關(guān)系，建立鐵塔的空間桿梁混合結(jié)構(gòu)模型。為了便于問題分析，本文對(duì)桿塔附件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理：螺栓簡(jiǎn)化為可以傳遞彎矩的剛接點(diǎn)，桿塔基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為固定約束點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 桿塔荷載的計(jì)算與加載

根據(jù)計(jì)算需要，桿塔承受的荷載一般可分解為作用在桿塔上的垂直荷載（垂直荷載是垂直于地面方向的荷載）、橫向水平荷載（平行桿塔平面即沿橫擔(dān)方向）、縱向水平荷載（垂直桿塔平面即垂直橫擔(dān)方向）。風(fēng)載荷屬橫水平荷載，主要包括：桿塔塔身風(fēng)荷載；導(dǎo)線、地線、絕緣子串和金具的風(fēng)荷載。對(duì)于各種載荷的計(jì)算模型，本文均采用《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的計(jì)算公式［4，5］。

本文后續(xù)分析中對(duì)不同荷載采用了不同的加載方式。絕緣子、導(dǎo)線、金具對(duì)桿塔的作用（如風(fēng)荷載、靜張力、動(dòng)張力、重力等），均等效為力加載在桿塔的對(duì)應(yīng)作用點(diǎn)位置，即導(dǎo)線與桿塔的連接處。桿塔本身荷載（如重力、風(fēng)荷載等）等效施加于桿塔各桿件處：重力施加于各個(gè)單元；風(fēng)荷載按水平方向風(fēng)對(duì)桿塔的風(fēng)壓效果，簡(jiǎn)化至主材迎風(fēng)面的節(jié)點(diǎn)上。

3 不同條件下桿塔的應(yīng)力分布

3.1 無風(fēng)條件下桿塔其他荷載單獨(dú)作用

單獨(dú)施加靜垂直荷載（包括導(dǎo)地線、金具、桿塔等所有附件的總重量），確定在無風(fēng)條件下桿塔的應(yīng)力分布情況。圖3所示為線路覆冰工況下CJ1-30桿塔在靜垂直荷載作用下的應(yīng)力分布。從圖3中可知，僅考慮重力荷載時(shí)（無風(fēng)條件下），桿塔桿件的最大拉應(yīng)力發(fā)生在橫擔(dān)側(cè)面靠近塔身的斜材處。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時(shí)，該位置將成為桿塔結(jié)構(gòu)首先破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖3 靜垂直荷載單獨(dú)作用的應(yīng)力

3.2 風(fēng)荷載單獨(dú)作用

為討論風(fēng)荷載的作用，先不考慮靜垂直荷載作用，按垂直線路方向（線路方向與風(fēng)方向夾角為90°）加載5、10、20、30m/s 4種風(fēng)荷載，CJ1-30桿塔的風(fēng)荷載響應(yīng)如圖4、5所示。

圖4 風(fēng)速30m/s時(shí)桿塔的正應(yīng)力

圖5 風(fēng)速的方與最大正應(yīng)力的關(guān)系

通過綜合對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)荷載單獨(dú)作用時(shí)，風(fēng)速與最大應(yīng)力和最大位移呈現(xiàn)非線性化特征。風(fēng)速的變化不影響桿塔的應(yīng)力分布；在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)（小于30m/s），不同風(fēng)速作用時(shí)桿塔的應(yīng)力分布圖具有相同的特征，最大應(yīng)力點(diǎn)相同。桿塔的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力水平相當(dāng)，均出現(xiàn)在桿塔的主材的坡面過渡位置。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時(shí)，主材的坡面過渡位置將成為桿塔結(jié)構(gòu)首先破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。

3.3 靜垂直荷載和風(fēng)荷載同時(shí)作用

當(dāng)同時(shí)考慮靜垂直荷載和風(fēng)荷載作用時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于模擬正常運(yùn)行條件下導(dǎo)線的風(fēng)荷載響應(yīng)情況，其結(jié)果如圖6、7所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)速作用時(shí)桿塔的應(yīng)力分布不同，桿塔的最大應(yīng)力與風(fēng)速之間無特征規(guī)律。最大應(yīng)力的出現(xiàn)位置具有如下特征：當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，最大應(yīng)力主要由靜垂直荷載決定，出現(xiàn)位置與單獨(dú)靜垂直荷載作用時(shí)相同；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，最大應(yīng)力由靜垂直荷載和風(fēng)荷載同時(shí)作用，出現(xiàn)位置同時(shí)包含單獨(dú)靜垂直荷載作用時(shí)對(duì)應(yīng)的位置及風(fēng)荷載單獨(dú)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的位置。桿塔的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在桿塔的主材的坡面過渡位置。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大時(shí)，主材的坡面過渡位置將成為桿塔結(jié)構(gòu)首先破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，最大應(yīng)力主要由靜垂直荷載決定，出現(xiàn)位置為橫擔(dān)側(cè)面靠近塔身的斜材處與單獨(dú)靜垂直荷載作用時(shí)相同（橫擔(dān)側(cè)面靠近塔身的斜材處）；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，最大應(yīng)力由靜垂直荷載和風(fēng)荷載同時(shí)作用，出現(xiàn)位置同時(shí)包含單獨(dú)靜垂直荷載作用時(shí)對(duì)應(yīng)的位置及風(fēng)荷載單獨(dú)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的位置（桿塔的主材的坡面過渡位置）。

圖6 風(fēng)速30m/s時(shí)桿塔的正應(yīng)力

圖7 不同風(fēng)速時(shí)桿塔的最大正應(yīng)力

針對(duì)風(fēng)荷載作用下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征，建議電網(wǎng)運(yùn)行單位在輸電桿塔的年度檢修中應(yīng)重點(diǎn)檢查橫擔(dān)側(cè)面靠近塔身的斜材處和主材坡面過渡區(qū)域，檢查桿件是否變形，螺栓是否存現(xiàn)滑移和松動(dòng)。

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部組.輸電線路六防工作手冊(cè)：防風(fēng)害［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2015.

［2］胡毅.輸電線路運(yùn)行故障分析與防治［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［3］謝強(qiáng)，張勇，李杰.華北電網(wǎng)500kV任上5237線颮線風(fēng)致倒塔事故調(diào)查分［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006（10）：59-63.

［4］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［5］邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

The Stress Distribution Characteristics of Transmission Tower under the Action of Wind Load

Zhang Bo1Ma Jie2Li Mengli1Ai Wenjun1Liu Bo1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052；2.Economic and Technical Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052）

The wind-induced disaster is one of the important cause of transmission tower failure.It has an important role and significance for the prevention of transmission tower wind to study the stress distribution characteristics of transmission tower under the action of wind load,to understand the mechanism of transmission tower failure caused by the wind.Based on this,taking the typical 500kV transmission tower with CJ1-30 type as an example,the stress distribution characteristics of transmission tower under the action of wind load were analyzed by setting up the analyt?ical model of finite unit.Then the stress distribution characteristics of transmission tower are analyzed under the con?dition of different wind load.The results showed that the transition point of the slope of tower advocate material was the weak spot of structure stress,and it was suggested that the transition point of the slope of tower advocate material should be pay more attention in the annual maintenance and repair of grid operation units.

wind load；transmission tower；stress distribution

TM753

A

1003-5168（2016）10-0135-03

2016-09-05

張博（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：輸電線路運(yùn)維技術(shù)、輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)。