輸電線路鐵塔銹蝕塔腿補(bǔ)強(qiáng)措施及仿真計(jì)算

鄧長征 郭軼磊，3 張康偉，3 趙 俠 牛浩然

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司武漢分院，武漢 430074)

輸電鐵塔是高壓輸電線路的承重結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行至關(guān)重要[1].據(jù)現(xiàn)場觀測分析，多條線路鐵塔的塔腳和連接板部分位置已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕，使得塔腿區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，甚至已經(jīng)對線路的安全運(yùn)行產(chǎn)生不好的影響[2-4].因此提出合理可行的塔腿補(bǔ)強(qiáng)措施勢在必行.

目前國內(nèi)許多專家對塔腿補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行了優(yōu)化研究，文獻(xiàn)[2]提出更換塔腿的措施，首先運(yùn)用鋼絲繩和抱桿替代銹蝕的塔腿支撐，隨后進(jìn)行塔腿的拆除與更換.文獻(xiàn)[3]提出組合角鋼主材加固，即通過背靠背在原主材上附加一根相同規(guī)格的主材用于加固鐵塔的方法.文獻(xiàn)[4]提出加固焊補(bǔ)方案，即對銹蝕嚴(yán)重的部位進(jìn)行拆除，隨后采用護(hù)板焊接起來的方法.總之，以上補(bǔ)強(qiáng)措施或是由于更換塔腿費(fèi)用昂貴，使經(jīng)濟(jì)效益低下；或是由于鐵塔結(jié)構(gòu)限制，無法對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作；亦或是對已銹蝕塔腿主材進(jìn)行焊補(bǔ)或更換工作，結(jié)果導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降.

本文通過ANSYS有限元分析軟件建立了鐵塔結(jié)構(gòu)的桁架混合模型，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)加固的思想，對已銹蝕塔腿主材分別在正常和惡劣運(yùn)行工況下的受力情況進(jìn)行了計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果針對普遍的塔腿銹蝕提出了一種新型加固方案—分解加固法，并建立加固補(bǔ)強(qiáng)后的計(jì)算模型對鐵塔的應(yīng)力強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了該種加固補(bǔ)強(qiáng)方案在惡劣工況下力學(xué)性能方面的可行性.

1 輸電線路鐵塔的銹蝕情況

通過對超高壓輸電公司柳州局所轄的輸電線路桿塔實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該局所轄的河柳甲線、河柳乙線等19條線路部分鐵塔發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，主材表面大量脫落.這些缺陷會降低桿塔的穩(wěn)定性，增大倒塔斷線的風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示.

圖1 鐵塔連接板及螺栓銹蝕情況

該區(qū)段線路鐵塔運(yùn)行已經(jīng)超過15年，現(xiàn)需要對銹蝕鐵塔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)工作.本文通過仿真軟件建立有限元模型，找出集中應(yīng)力區(qū)段，以期對鐵塔進(jìn)行有針對性的結(jié)構(gòu)評估，并提出補(bǔ)強(qiáng)措施，最后對其進(jìn)行驗(yàn)證.該工程的塔型均為ZB型直線酒杯塔，鐵塔主材和斜材分別采用Q345，Q234規(guī)格的角鋼.

分析調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鐵塔腐蝕部位主要發(fā)生在主材與保護(hù)帽(基礎(chǔ))接觸部分(即塔腳處)，具有寬度厚實(shí)、剛度強(qiáng)、螺栓密集、結(jié)構(gòu)冗雜的特點(diǎn)，且塔腳處植茂繁多、處于背光處，導(dǎo)致隱蔽性強(qiáng)，往往巡線人員不易發(fā)現(xiàn)腐蝕情況.因此本文以塔腿主材區(qū)段為研究點(diǎn)，依據(jù)ANSYS軟件平臺，建立有限元結(jié)構(gòu)模擬對象.

2 鐵塔有限元模型的建立

研究表明酒杯型鐵塔采用桁架混合模型最符合鐵塔結(jié)構(gòu)實(shí)際的力學(xué)狀態(tài)[5]，考慮塔材截面應(yīng)力和單元網(wǎng)格的劃分，在建模單元時(shí)選用Beam188號梁單元，以提高仿真準(zhǔn)確度[6].主材和斜材相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

表1 主、斜材參數(shù)

鐵塔為中心對稱結(jié)構(gòu)，故先完成1/4 結(jié)構(gòu)的繪制，進(jìn)行兩次鏡面操作，即可得到完整塔型.如圖2～3所示，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義主材斜材的材料屬性，最后進(jìn)行加載求解和結(jié)果后處理.

圖2 局部結(jié)構(gòu)圖

圖3 整體結(jié)構(gòu)圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 荷載計(jì)算

鐵塔荷載主要由水平荷載與垂直荷載組成，鐵塔水平荷載由風(fēng)作用在塔身和導(dǎo)地線上產(chǎn)生，與風(fēng)速和作用角度有關(guān)；鐵塔垂直荷載主要由鐵塔自重與導(dǎo)地線重量有關(guān)[7].

鐵塔風(fēng)壓荷載P(單位：kN)的計(jì)算按式(1)～(3)進(jìn)行：

式中，v為計(jì)算風(fēng)速，取最大風(fēng)速為30m/s；A為塔身側(cè)面受風(fēng)面的投影面積，該塔型為酒杯塔，呼稱高45m、塔頭高22m、側(cè)面根開9.9m，則A=194.77 m2；φ為平面桁架的擋風(fēng)系數(shù)；∑AC為桁架桿架投影面積之和，經(jīng)計(jì)算∑AC=40.44m2；KP為風(fēng)載體形系數(shù)，取1.43.

導(dǎo)線風(fēng)壓荷載Wx計(jì)算按式(4)進(jìn)行：

式中，Wx為垂直于電線軸線的水平風(fēng)荷載(N)；α為電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)，取0.75；μsc為電線體型系數(shù)，取1.1；βc為500kV 線路電線作用于鐵塔上的風(fēng)調(diào)系數(shù)，取1.2；d為電線外徑，取26.82mm；δ為覆冰厚度，此工況下不考慮覆冰厚度；lH為鐵塔水平檔距，取250m；θ為風(fēng)向與電線軸向間的夾角，取90°.

地線風(fēng)壓荷載PG計(jì)算方法與導(dǎo)線相同，LBGJ-120-40AC地線相關(guān)數(shù)據(jù)可從設(shè)計(jì)手冊查得[8].

3.2 正常鐵塔的荷載施加求解

在仿真軟件中對鐵塔模型施加荷載，為了使仿真計(jì)算結(jié)果更具有說服力，文中各種荷載均比實(shí)際情況略大，氣象運(yùn)行條件也選取為當(dāng)?shù)刈類毫拥那闆r，即在風(fēng)速為30m/s下的運(yùn)行狀態(tài).鐵塔在正常運(yùn)行狀態(tài)荷載和30m/s大風(fēng)作用下荷載整體示意圖和塔腿示意圖，分別如圖4～7所示.

由圖5 可知，未發(fā)生塔腿主材銹蝕的鐵塔在30m/s大風(fēng)的極限運(yùn)行狀態(tài)下，鐵塔塔頭變形處于危險(xiǎn)區(qū)域(紅色)，但塔身總體處于安全區(qū)域(綠色)，所以鐵塔仍能正常運(yùn)作.由圖7可知，塔腿最大應(yīng)力可為245MPa，發(fā)生在塔腿主材部(紅色).此時(shí)，塔腿主材應(yīng)力均遠(yuǎn)小于Q345的極限應(yīng)力(Q345的屈服強(qiáng)度為345MPa).鐵塔保持正常運(yùn)行狀態(tài)，表明鐵塔處在沒有發(fā)生銹蝕的正常狀態(tài)下，能完全滿足30m/s大風(fēng)運(yùn)行環(huán)境.

圖4 正常運(yùn)行整體圖

圖5 30m/s大風(fēng)荷載整體圖

圖6 正常運(yùn)行塔腿云圖

圖7 30m/s大風(fēng)荷載塔腿云圖

3.3 銹蝕鐵塔主材的仿真分析

在角鋼的銹蝕模擬中，為貼近實(shí)際工程，在銹蝕截面處選用變截面梁單元的設(shè)置，以不同厚度的角鋼來代替不同程度的主材腐蝕情況.截面厚度變化詳細(xì)處理如圖8所示.此方法在模型計(jì)算時(shí)更加貼近實(shí)際情況.對銹蝕鐵塔施加30 m/s大風(fēng)時(shí)承受的極限荷載，可得到如圖9所示的受力云圖.

圖8 角鋼L140×10銹蝕截面處理圖

圖9 塔腿腐蝕時(shí)變形云圖

由圖9可知，當(dāng)主材桿件由于銹蝕而厚度減少時(shí)，周圍斜材桿件受力有顯著增加 ，斜材應(yīng)力最大達(dá)到了239MPa，超過了鋼材Q235(Q235的屈服強(qiáng)度為235MPa)的極限應(yīng)力，鐵塔底座可能會發(fā)生嚴(yán)重變形.因?yàn)殍F塔主材斜材均采用的時(shí)鋼材Q345，極限應(yīng)力為345MPa.因此，鐵塔處于極限運(yùn)行狀態(tài)，部分組件發(fā)生嚴(yán)重不可逆變形，鐵塔塔腿應(yīng)力遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)應(yīng)力值，若不及時(shí)處理，鐵塔將發(fā)生不可逆的變形，很容易發(fā)生倒塔事故.

4 塔腿主材補(bǔ)強(qiáng)措施

4.1 分解加固法

分解加固法是基于力的分解的原理，在受到嚴(yán)重腐蝕的塔腿附近新建3個(gè)塔腿，替代原腐蝕塔腿，用以承受原塔腿受到的各項(xiàng)荷載.如圖10 所示，塔材AD、BD、CD(黑色)代表的是原塔腿主材，分別在每個(gè)新建基礎(chǔ)上安裝新的塔腿，兩側(cè)基礎(chǔ)(紅色)的塔腿有兩根主材(紅色BN、CN和綠色AL、BL)，分別連接塔腿與塔身交界線的端點(diǎn)B與中點(diǎn)A或C，中間基礎(chǔ)(藍(lán)色)有3根主材(藍(lán)色AM、BM、CM)，3根主材分別連接A、B、C3點(diǎn)，所有主材均需進(jìn)行腐蝕防護(hù)措施.3個(gè)新建基礎(chǔ)所在的3個(gè)塔腿的合力能夠承受原有線路鐵塔對該塔腿的作用力.

4.2 有限元模型仿真分析

圖10 分解加固示意圖

建立加固后的有限元模型，并施加與前文相同的工況荷載，模擬出針對銹蝕塔腿的分解加固后的桿塔運(yùn)行情況.圖11所示為塔腿分解加固有限元模擬示意圖.主材加固后的有限元等效應(yīng)力云圖如圖12所示.可見，加固后原銹蝕主材受力明顯減小，新加固塔材與原來?xiàng)U塔在惡劣工況下的塔腿主材應(yīng)力值減小，這是因?yàn)椴捎昧朔纸饧庸?從數(shù)值上分析，加固后塔材所受應(yīng)力值為40～60 MPa 左右，減小比約為75%，應(yīng)力值遠(yuǎn)低于塔材屈服強(qiáng)度.

圖11 塔腿分解加固有限元模型示意圖

圖12 塔腿分解加固后塔材等效應(yīng)力云圖

由此可知，本分解加固措施既滿足加固后需要承擔(dān)起原塔腿荷載，又降低了加固塔材各自承擔(dān)的荷載，具有良好的效果.

5 與傳統(tǒng)方案的對比分析

采用傳統(tǒng)方法解決塔腿銹蝕問題的過程為：先將導(dǎo)、地線拆除，由于銹蝕鐵塔一般是運(yùn)行了15年左右的老舊鐵塔，將原塔拆除后再組裝已經(jīng)很難完成，所以只能將整個(gè)鐵塔拆除，最后再新建一基鐵塔.這類方法在材料上要考慮整基塔，施工周期長，工程造價(jià)高昂，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大.

本文所提出的分解補(bǔ)強(qiáng)法：補(bǔ)強(qiáng)桿件自身構(gòu)成幾何不變體系，不損傷原結(jié)構(gòu)體系，僅需在指定位置(即銹蝕塔腿附近)新增塔腿，使原塔腿的受力由新增塔腿承受，故整體穩(wěn)定性好.且能夠達(dá)到在不影響正常輸電或短期內(nèi)就能恢復(fù)供電的使用要求，確保在原有工況下已服役的鐵塔能夠繼續(xù)安全工作和延長使用壽命.野外施工過程受外界環(huán)境影響較小，無高空作業(yè).所以加固周期短，施工方便，費(fèi)用低，對施工過程中的安全和進(jìn)度有保障.

表2為分解加固法與傳統(tǒng)方法的經(jīng)濟(jì)性對比.可見，分解加固法工程造價(jià)低，施工周期短，期間無需采取停電措施，可靠性良好.

表2 經(jīng)濟(jì)性對比

6 結(jié) 論

本文以現(xiàn)有輸電線路鐵塔塔腿主材普遍存在的銹蝕問題為出發(fā)點(diǎn)，提出采用一種新型補(bǔ)強(qiáng)措施—分解加固法，用于取代傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)方案.并運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對已銹蝕鐵塔和補(bǔ)強(qiáng)后的鐵塔進(jìn)行了力學(xué)性能分析，得出以下結(jié)論：

(1)提出的新型補(bǔ)強(qiáng)措施—分解加固法，不損傷原有的結(jié)構(gòu)體系，加固周期短，施工方便，費(fèi)用低，且加固后的鐵塔能夠達(dá)到在不影響正常輸電或短期內(nèi)就能恢復(fù)供電的使用要求，故此補(bǔ)強(qiáng)方案可以對一般鐵塔加固工程做參考.

(2)計(jì)算結(jié)果證實(shí)補(bǔ)強(qiáng)后的塔腿所承受的應(yīng)力減少約為75%，遠(yuǎn)低于塔材的屈服強(qiáng)度，有效降低了原有塔腿主材的受力，滿足規(guī)范規(guī)定的承載力要求.