1 000kV交流單回路應(yīng)用角鋼鋼管混合塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化及真型試驗(yàn)

徐偉東，楊禮東，張 健

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

為了實(shí)現(xiàn)能源的有效利用及治理京津等地區(qū)的霧霾，開(kāi)發(fā)超大容量、遠(yuǎn)距離的輸送電技術(shù)成為現(xiàn)階段我國(guó)電力發(fā)展的迫切需要，因此近年來(lái)我國(guó)建立了多條1 000kV特高壓輸送電線路。錫盟—?jiǎng)倮? 000kV特高壓工程中，首次在單回路線路中使用了角鋼鋼管組合鐵塔，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文使用中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司自主研發(fā)的三維有限元軟件TTA及ANSYS軟件對(duì)單回路角鋼鋼管組合鐵塔進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在天津霸州試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了1∶1的真型試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)角鋼鋼管組合結(jié)構(gòu)具有很高的可靠度。

1 鐵塔結(jié)構(gòu)性能分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析模型

特高壓角鋼鋼管組合鐵塔J30103外形采用干子型鐵塔，全高71.8m，跟開(kāi)17.24m，塔身質(zhì)量為109.6t。塔身主材和瓶口以下交叉材采用鋼管，橫擔(dān)主材及輔助材以及塔頭交叉材采用角鋼。結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1，圖中單位為mm。

1.2 結(jié)構(gòu)靜力分析

采用三維有限元軟件TTA及ANSYS對(duì)鐵塔J30103進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中塔身、橫擔(dān)主材及塔身交叉材采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其余桿件采用桿單元進(jìn)行模擬，有限元三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

通過(guò)TTA及ANSYS軟件的對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，2個(gè)軟件設(shè)計(jì)完成后的主要桿件的應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表1，橫擔(dān)主材為Q420，塔頭和塔身主材為Q345。

1.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

圖1 鐵塔J30103結(jié)構(gòu)模型

圖2 三維結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

采用子空間迭代方法對(duì)單塔模型進(jìn)行全模態(tài)分析，用ANSYS軟件進(jìn)行的模態(tài)分析是比較精確的。分析完成后，本單塔模型的前4階頻率以及周期見(jiàn)表2，模態(tài)形狀見(jiàn)圖3。

表1 主要桿件TTA及ANSYS軟件計(jì)算應(yīng)力對(duì)比MPa

表2 鐵塔J30103模型的頻率及周期

從分析結(jié)果可以看出，鐵塔J30103的前3階振型分別為X方向振動(dòng)、Y方向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第4階以及更高階振型為局部振型。

2 鐵塔真型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工況

考慮到試驗(yàn)費(fèi)用及時(shí)間限制，難以按照設(shè)計(jì)工況逐一進(jìn)行，因此在正常運(yùn)行、安裝和事故斷線三大類(lèi)基本工況中各挑選幾個(gè)代表工況進(jìn)行試驗(yàn)，具體見(jiàn)表3，荷載加載點(diǎn)見(jiàn)圖4。

2.2 位移及應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)

圖3 模態(tài)分析結(jié)果

位移觀測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)在能反映出鐵塔整體撓曲線的同時(shí)，兼顧變形最大位置的觀測(cè)。J30103試驗(yàn)塔位移測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5a。應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)該符合以下原則：鐵塔主要傳力構(gòu)件（如塔身、塔腿、橫擔(dān)主材）；鐵塔計(jì)算時(shí)各試驗(yàn)工況下某個(gè)應(yīng)力均較大的桿件；局部構(gòu)造或節(jié)點(diǎn)處傳力與實(shí)際存在差異的部位。鐵塔J30103應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖5b。

表3 鐵塔J30103試驗(yàn)工況

圖4 荷載加載點(diǎn)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 內(nèi)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

a.主材軸向應(yīng)力分析。試驗(yàn)工況為工況2，即90°大風(fēng)，前側(cè)大張力，后側(cè)小張力，塔頭、塔身及塔腿部分主材在各加載至100%時(shí)的內(nèi)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與按照DL／T 5154—2012《架空輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》計(jì)算的理論值對(duì)比見(jiàn)表4。由表4數(shù)據(jù)可見(jiàn)，鐵塔主材軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值的偏差在10%以內(nèi)，實(shí)測(cè)內(nèi)應(yīng)力和計(jì)算內(nèi)應(yīng)力偏差較小，主要原因是應(yīng)變片實(shí)測(cè)值未計(jì)及鐵塔自身重力。

圖5 位移及應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)

表4 主材軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

b.位移觀測(cè)結(jié)果分析。J30103試驗(yàn)塔的最大位移發(fā)生在D1點(diǎn)，為工況6，即45°大風(fēng)，前側(cè)大張力，后側(cè)小張力（破壞），具體數(shù)值見(jiàn)表5。由表5可知，最大橫向位移為623mm，最大縱向位移為73 mm，最大垂直位移為234mm。

2.3.2 應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果

6個(gè)工況的主要應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，可以看出，第6工況為最危險(xiǎn)工況，當(dāng)荷載施加到100%時(shí)，塔身主材Y15、Y16、Y18實(shí)測(cè)應(yīng)力分別達(dá)到了308.49、286.02、303.66MPa，接近設(shè)計(jì)應(yīng)力，說(shuō)明J 3 0 1 0 3結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 時(shí) 非 常 合 理 。當(dāng) 荷 載 施 加 到130%時(shí)，主材應(yīng)力迅速增加到576.24MPa（實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)? 744），說(shuō)明結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但是由于鋼管結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)仍然能夠安全工作。

表5 最大位移觀測(cè)點(diǎn)數(shù)值mm

表6 應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果 MPa

本次試驗(yàn)加載到130%的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，鐵塔并未破壞，按照以往經(jīng)驗(yàn)鋼管的破壞荷載能達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的150%左右，這是因?yàn)楝F(xiàn)在的行業(yè)規(guī)范是按照彈性設(shè)計(jì)方法對(duì)鋼管塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。而鋼管的內(nèi)力重分布能力強(qiáng)，當(dāng)鋼管局部發(fā)生屈服時(shí)，其內(nèi)力會(huì)重新分布，只有當(dāng)多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件陸續(xù)屈服，形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，鐵塔才會(huì)破壞。按照彈性理論設(shè)計(jì)的鋼管塔承載能力比實(shí)際承載能力要偏小很多。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鐵塔J30103進(jìn)行TTA及ANSYS的對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)以及真型試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

a.由于鋼管塔變坡處以及塔腿部位結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變，次生彎矩較大，因此實(shí)測(cè)應(yīng)力比計(jì)算應(yīng)力稍大，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

b.由于鋼管角鋼混合結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，雖然在試驗(yàn)過(guò)程中，主材的應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，但由于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，使得結(jié)構(gòu)仍然能安全運(yùn)行。

c.通過(guò)真型試驗(yàn)可以看出，角鋼鋼管組合結(jié)構(gòu)的安全性要遠(yuǎn)大于角鋼塔。