220 kV雙回輸電線路鋼管桿設計分析

苑士巖，趙風雷

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

鋼管桿相比于常規(guī)角鋼塔，具有占地面積小、外形美觀、結構簡單、加工容易、施工方便、運行安全可靠、維護工作量小等特點[1]。在城市輸配電線路中，特別是地形受限制或線路走廊擁擠的地區(qū)，鋼管桿發(fā)揮著重要作用，有效解決了城市用地緊張和電力線路需求增加的矛盾。

鋼管桿按結構形式分為等徑桿和錐形桿，按截面形式分為圓形桿、多邊形(菱形)桿。鋼管桿設計采用概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用可靠度指標度量其可靠性，在規(guī)定的各種荷載組合作用下，滿足線路運行安全的要求。鋼管桿的設計還應考慮制造工藝、施工方法(包括運輸和安裝)以及運行維護和環(huán)境因素[2]。

鋼管桿承受的荷載一般分解為橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載3種。橫向荷載是沿橫擔方向的荷載，如直線桿上的導線、地線水平風力，轉角桿導線、地線張力產生的水平橫向分力等。縱向荷載是垂直于橫擔方向的荷載，如導線、地線張力在垂直橫擔或地線支架方向的分量等。垂直荷載是垂直于地面方向的荷載，如導線、地線重力等[3]，由外部作用引起的結構內力比較復雜，是軸力、彎矩、扭矩和剪力聯(lián)合作用相互疊加的情況，本文采用鋼管桿設計系統(tǒng)軟件(NSA)對整塔結構進行有限元分析計算，并利用通用有限元軟件(ANSYS)對其結果對比分析。

1 鋼管桿的結構特性

1.1 鋼管桿的截面及分段

根據(jù)鋼管桿主桿斷面特性分析，圓形斷面的截面抵抗矩最大、受力性能最好，材料相對耗用較小，但是其加工難度也最大；除圓形斷面外，正多邊形斷面也有廣泛的應用(包括正十六邊形、正十二邊形、正八邊形)，各種鋼管桿主桿斷面形式在DL/T 5130-2001《架空送電線路鋼管桿設計技術規(guī)定》[3]中都有所推薦。對于直線桿和小轉角桿截面形式可以采用正八邊形或正十二邊形，從設計合理和經濟效益角度考慮，鋼管桿壁厚是逐漸變化的，這就要求對鋼管桿主桿進行分段，而分段長度又受施工運輸和鍍鋅工藝的限制，根據(jù)以往的工程經驗，分段長度一般控制在10 m左右，一基鋼管桿中部法蘭數(shù)量不宜超過4個。本工程所采用的220 kV雙回路鋼管桿全長為38 m，共分為4段，從上到下桿段長度分別為：第1桿段9 m、第2桿段9 m、第3桿段10 m、第4桿段10 m，具體情況見表1, 各桿段采用外法蘭連接方式。

大轉角桿和終端桿可以采用正十六邊形或圓形。本工程所采用的220 kV雙回路鋼管桿，荷載大、受力復雜，綜合考慮設計、加工等因素，最終確定主桿斷面采用圓形截面。

表1 220 kV雙回路鋼管桿主桿信息 mm

1.2 鋼管桿的根徑、梢徑及錐度

從鋼管桿的截面特性計算公式可知，根徑和梢徑的大小對鋼管桿撓度控制有直接影響：根徑和梢徑越大，截面慣性矩越大，抗彎能力越強，在水平力作用下，其撓度會變小；相比于根徑和梢徑，主桿厚度對鋼管桿的撓度影響較小。鋼管桿的錐度主要與外部荷載大小有關，直線桿和小轉角桿的錐度小一些，大轉角桿的錐度要大一些以抵抗外力；在滿足撓度要求的前提下，適當減小錐度，既能減少材料用量又可以使整個結構美觀。鋼管桿的錐度取值，需根據(jù)根徑、梢徑的大小以及撓度控制要求，綜合分析確定，力求達到“適用安全、經濟美觀”的八字方針。

一般直線桿的梢徑取250～400 mm，錐度取1/75左右；轉角桿一般根據(jù)不同的轉角度數(shù)，梢徑取300～800 mm，錐度取1/65～1/35[4]。本工程所采用的220 kV雙回路轉角鋼管桿梢徑取400 mm，錐度取1/63。

1.3 材料選用

鋼管桿的材質一般采用Q235和Q345，對于承受較大荷載的鋼管桿也可采用Q390。鋼管桿在外部作用下，會產生壓縮變形、彎曲變形以及扭轉變形，通過使用高強度鋼材(Q390)，可以提高結構的抗壓、抗彎、抗剪和抗扭強度，從而節(jié)省材料用量；但是，采用強度高的材料會使結構的延性降低，尤其是在低溫區(qū)可能會發(fā)生脆性斷裂。低強度鋼材(Q235和Q345)雖然用料多，但結構延性好，目前在工程中仍被廣泛運用。本工程位于蒙東地區(qū)，最低溫度為-40℃，結合以往的工程經驗，經綜合對比、分析，鋼管桿最終采用Q345鋼材。

2 鋼管桿的結構設計

2.1 設計條件

本工程采用電壓等級為220 kV的鋼管桿，雙回路架設，導線型號為2×JL/G1A-240/30鋼芯鋁絞線，地線型號為JLB20A-120鋁包鋼絞線以及24芯光纖復合架空地線OPGW-120；導線安全系數(shù)取8.0，地線安全系數(shù)取10.0。鋼管桿的水平檔距、垂直檔距均為150 m，設計呼高為21 m，全高為38 m，上相、中相和下相導線的風壓高度系數(shù)分別為1.23、1.14以及1.04，地線風壓高度系數(shù)為1.28。本工程設計風速為28 m/s，導線最大覆冰厚度取10 mm，地線最大覆冰厚度取15 mm，最高氣溫為+40 ℃，最低氣溫為-40 ℃。

2.2 荷載組合

鋼管桿應計算線路正常運行情況、斷線(含分裂導線時縱向不平衡張力)情況和安裝情況下的荷載組合，必要時尚應驗算重冰區(qū)不均勻覆冰等稀有情況。本工程雙回路鋼管桿采用的荷載組合情況如下[3]。

2.2.1 正常運行情況的荷載組合

正常運行情況的荷載組合考慮以下3種工況：最大風、無冰、未斷線；最大覆冰、相應風速及氣溫，未斷線；最低氣溫、無冰、無風、未斷線。

2.2.2 斷線情況的荷載組合

斷線情況的荷載組合考慮以下2種工況：同一檔斷任意兩相導線、地線未斷、無風、無冰；斷任意一根地線、導線未斷、無風、無冰。

2.2.3 安裝情況的荷載組合

應按10 m/s風速、無冰、相應氣溫的氣象條件下荷載組合安裝，錨地線、錨導線，緊地線、緊導線時考慮以下2種工況：錨地線時，相鄰檔內的導線及地線均未架設；錨導線時，在同檔內的地線已架設。緊地線時，相鄰檔內的地線已架設或未架設，同檔內的導線均未架設；緊導線時，同檔內的地線已架設，相鄰檔內的導線已架設或未架設。

2.3 計算過程及結果

NSA用于由梁元和/或桁元所組成的構架分析，特別適用于鋼管桿分析計算[5]。其計算主要過程如下：快速輸入主柱鋼管桿，計算荷載并導入，輸入計算控制參數(shù)，有限元計算，瀏覽、閱讀計算結果。

根據(jù)鋼管桿基礎數(shù)據(jù)輸入方法的不同，分為手工輸入分段數(shù)據(jù)和快速輸入鋼管桿數(shù)據(jù)兩種方法。手工輸入分段數(shù)據(jù)的方法，需要用戶手工輸入分段數(shù)據(jù)，并輸入桿件力學參數(shù)及連接桿件等數(shù)據(jù)，操作比較復雜；快速輸入鋼管桿數(shù)據(jù)的方法，用戶可以快速的輸入節(jié)點、桿件以及相應的桿件連接數(shù)據(jù)等，在用戶輸入基礎數(shù)據(jù)完成后，系統(tǒng)自動填寫桿件力學參數(shù)和連接數(shù)據(jù)，操作簡便、節(jié)省時間，是推薦的一種建模方式[6]。

建立鋼管桿計算模型后，需對其施加外部荷載，有用戶手工輸入集中荷載和程序自動計算兩種方法，根據(jù)需要，用戶也可以兩種方法結合使用，以提高工作效率。節(jié)點荷載輸入完畢，填寫控制參數(shù)，之后進行有限元分析計算，用戶可以在【高級直接操作】菜單下選中【1.顯示全部計算結果(A)】查看有限元計算成果。本工程各桿段最不利受力情況以及應力比見表2, 各桿段扭矩為0。

表2 NSA計算結果

3 ANSYS有限元分析

3.1 有限元模型

有限元模型采用Shell 181單元。它是一個4結點單元，每個結點具有6個自由度：x方向、y方向、z方向的位移自由度和繞X、Y、Z軸的轉動自由度，適合對較薄或有一定厚度的殼體結構進行分析；Shell 181單元非常適用于結構非線性大變形分析，在該單元應用范圍內，完全積分和降階積分都是適用的[7]。采用多點剛性約束(MPC)的方法來模擬桿件端部法蘭連接，這種方法可以將外力均勻的傳遞到構件上，避免產生應力集中現(xiàn)象。

本文對鋼管桿第4桿段進行ANSYS有限元建模分析，頂、底端直徑為1 284 mm和1 600 mm，壁厚為12 mm，鋼管桿斷面為圓形。對底部所有節(jié)點進行固定約束，用來模擬固定端；頂部采用MPC，并對關鍵點施加外力。分3個荷載步對模型進行軸力、剪力、彎矩的施加，具體數(shù)值見表2；通過迭代計算，得到桿件的應力分布以及最大應力值。所采用的Q345鋼材主要力學性能指標為：屈服強度為310 MPa，彈性模量為206×103MPa，泊松比為0.3。

3.2 計算結果及結果分析

加載計算完成后，通過后處理器，提取模型的等效應力云圖(見圖1)?？梢钥闯觯簭澗刈饔闷矫鎯鹊膽ψ畲?、平面外應力最小，說明鋼管桿主要是由彎矩作用控制；鋼管桿變形為彎曲變形，延性好，能為架空線路的安全運行提供可靠保障；桿件最大應力為266 MPa，相應的應力比為85.81%，與NSA計算結果比較吻合。

圖1 鋼管桿有限元等效應力云圖

4 結論

本文利用NSA對興安-音德爾II回220 kV線路工程雙回路轉角鋼管桿進行建模計算，并利用ANSYS對其結果進行對比分析，得到了以下一些結論。

a.鋼管桿主桿控制工況為大風工況，以彎曲變形為主，延性好。

b. ANSYS中的Shell 181單元能有效模擬薄壁桿件受力狀態(tài)，在解決許多收斂困難問題上，比低階單元更有優(yōu)勢。

c.采用MPC方法模擬鋼管桿法蘭連接，可以避免試件端部的應力集中現(xiàn)象；從試件的應力分布來看，這種施加約束的方法可以較真實地反應試件的約束狀態(tài)，值得推廣使用。

d.NSA計算結果與ANSYS分析結果比較吻合，計算誤差在0.5%以內，可根據(jù)工程實際情況，選取本軟件進行工程設計。