基于ABAQUS 的混凝土電桿抗傾覆性能研究

徐恒博，孫 芊，戚建軍，王 洋

（1.國網(wǎng)河南省電力公司 電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.國網(wǎng)駐馬店供電公司，河南 駐馬店 463000；3.河南奇測電子科技有限公司，鄭州 453000）

桿塔是架空配電線路中重要的組成部分［1］，而混凝土電桿具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等特點(diǎn)，在城鄉(xiāng)配網(wǎng)中大量使用。電桿若出現(xiàn)傾倒，會(huì)通過電線傳遞拉力導(dǎo)致附近電桿產(chǎn)生串倒，這將對供電區(qū)域局部甚至整個(gè)配電線路產(chǎn)生影響，對居民生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的影響。電桿的埋深不足、惡劣氣象條件，以及降雨引起土質(zhì)變化等都是引發(fā)混凝土電桿出現(xiàn)倒桿現(xiàn)象的主要原因。

中外學(xué)者已對輸電桿塔的受力及抗傾覆能力開展了大量研究。王梓源［2］通過對比預(yù)制裝配式塔桅結(jié)構(gòu)的ABAQUS 的數(shù)值仿真結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值仿真方法的可靠性。胡千里［3］針對不同工況下10 kV 混凝土電桿的受力進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。夏松如［4］建立了輸電桿塔——基礎(chǔ)體系及地面土體的ABAQUS 模型，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。劉思遠(yuǎn)等［5］對環(huán)形鋼筋混凝土電桿進(jìn)行了理論和試驗(yàn)分析，揭示了電桿的受力機(jī)理、破壞過程和抗彎承載能力。Fenton 等［6］通過仿真分析得出了在不同氣象條件下輸電桿塔的可靠性，并基于此提出了一種輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

為了深入分析平原地區(qū)電桿倒桿的影響因素，考慮電桿在強(qiáng)風(fēng)載荷作用下，建立了混凝土電桿及土體相互作用的有限元仿真模型，得到電桿抗傾覆性能與載荷、埋深及土體參數(shù)的關(guān)系，并進(jìn)一步分析了電桿底盤對抗傾覆性能的影響。

1 混凝土電桿荷載分析

混凝土電桿所承受的載荷主要包括來自導(dǎo)線的荷載及電桿桿身的載荷。當(dāng)混凝土電桿的水平受力較大時(shí)，將會(huì)對電桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)產(chǎn)生較大的彎矩，從而導(dǎo)致土體受到剪切破壞［1］。因此針對電桿的抗傾覆性能的研究，只需要考慮對電桿最不利的水平受力的情況，分析出在強(qiáng)風(fēng)作用下電桿的水平受力狀態(tài)［7］，包括導(dǎo)線所承受的與線路垂直的風(fēng)載、風(fēng)向與電桿桿體表面垂直時(shí)桿身所承受的風(fēng)荷載［8］、絕緣子串和橫擔(dān)所受風(fēng)荷載。圖1 表示混凝土電桿的受載情況。

圖1 電桿所受載荷

實(shí)際中的風(fēng)載具有很大的不確定性，在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)工程中，常采用等效靜力風(fēng)荷載的方法來表示脈動(dòng)風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)［9］。在此基礎(chǔ)上通過風(fēng)速風(fēng)壓關(guān)系將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為對物體的靜壓力來進(jìn)行數(shù)值模擬。風(fēng)壓是指空氣的動(dòng)能在迎風(fēng)體單位面積上產(chǎn)生的壓力，根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程，基本風(fēng)壓值［10］為

式中：v為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3，取標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.25 kg/m3。

1）導(dǎo)線、地線的風(fēng)荷載［1］。當(dāng)風(fēng)向與電線、地線垂直時(shí)，作用在導(dǎo)線、地線上的風(fēng)載荷為

式中：γ4為無冰風(fēng)壓比載，N（m·mm2）；A為導(dǎo)線、地線截面面積，mm2；LP為導(dǎo)線、地線水平檔距，m。

2）電桿桿身承受的風(fēng)荷載［1］。風(fēng)向與電桿結(jié)構(gòu)物表面垂直時(shí)的風(fēng)荷載為

式中：μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為構(gòu)件體形系數(shù)；βz為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；B為覆冰時(shí)風(fēng)荷載增大系數(shù)，這里不考慮覆冰，取B=1；Af為構(gòu)件承受風(fēng)壓的投影面積，m2。

3）絕緣子串所受風(fēng)荷載。簡化絕緣子串受載模型，將絕緣子串受力面看作矩形截面，則絕緣子串所受風(fēng)荷載為

式中：d為絕緣子串最大公稱直徑，m；h1為絕緣子串公稱總高，m。

4）橫擔(dān)所受風(fēng)荷載。

式中：c為橫擔(dān)長度，m；h2為橫擔(dān)公稱高度，m。

2 桿土作用有限元模型

2.1 電桿模型

以常見的混凝土電桿為例，建立電桿幾何模型。由于本文所研究的電桿發(fā)生傾覆時(shí)不出現(xiàn)電桿斷裂現(xiàn)象。因此省略模型中的鋼筋配置［11］。所選電桿的尺寸參數(shù)見表1，絕緣導(dǎo)線型號為KLYJ 10/120。確定地基的尺寸時(shí)，既要考慮消除邊界對結(jié)果的影響，又要考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。

表1 電桿幾何參數(shù)

2.2 桿土作用有限元模型

分析結(jié)果的正確性與前處理的參數(shù)設(shè)置有很大的關(guān)系。為了保證仿真的可靠性及運(yùn)算結(jié)果的收斂性，仿真分析的參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。

基于對電桿水平方向上所受風(fēng)荷載的理論分析，通過ABAQUS 軟件，對混凝土電桿及土體進(jìn)行有限元仿真。在電桿的傾覆過程中，98%的電桿未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此這里的電桿采用線彈性模型，材料選用混凝土，具體的電桿的參數(shù)見表2。以豫東地區(qū)的土體參數(shù)為例，取10 級強(qiáng)風(fēng)（風(fēng)速為25 m/s）來計(jì)算風(fēng)荷載。

表2 電桿材料的物理參數(shù)

電桿埋在土體中，電桿發(fā)生傾覆時(shí)，土體會(huì)受力并產(chǎn)生變形，土體采用彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則［12］，該屈服準(zhǔn)則在巖土工程中應(yīng)用廣泛。土體材料的參數(shù)見表3。

表3 土體材料的物理參數(shù)

2.3 平衡初始地應(yīng)力

初始地應(yīng)力的平衡是在巖土工程的數(shù)值仿真中的重要一步，也是確保仿真分析結(jié)果正確性的關(guān)鍵。在巖土工程分析前，要先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，也就是使土體具備初始應(yīng)力，但不產(chǎn)生初始位移。ABAQUS中對地應(yīng)力平衡有多種不同的方法，并且各有其適用性和優(yōu)缺點(diǎn)［13］，這里采用的是ODB 導(dǎo)入法。當(dāng)土體的位移的數(shù)量級達(dá)到10-1mm 時(shí)即可認(rèn)為初始地應(yīng)力的平衡是有效可靠的［14］。平衡后應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖2 所示。

圖2 初始地應(yīng)力平衡

3 電桿傾覆影響因素分析

當(dāng)未對電桿施加載荷時(shí)，土體處于靜止平衡狀態(tài)，土體之間存在初始內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)逐步增大對電桿施加的水平風(fēng)荷載之后，電桿產(chǎn)生一定程度的傾斜，電桿周圍土體發(fā)生變形，電桿的一側(cè)與土體脫開，仿真結(jié)果如圖3（a）所示（變形系數(shù)為5）。當(dāng)傾覆力矩更大時(shí)，可以通過添加底盤基礎(chǔ)，來增加了電桿的抗傾覆性能。圖3（b）為同等強(qiáng)度風(fēng)荷載作用和相同埋深條件下，設(shè)置有底盤的混凝土電桿的位移云圖。顯然，在同等載荷條件和土體參數(shù)條件下，加裝底盤的混凝土電桿最大位移要小于無底盤電桿，這說明加裝底盤有利于提高混凝土電桿的抗傾覆性能。

圖3 土體位移云圖

3.1 埋深對電桿抗傾覆性能的影響

保持電桿所受的風(fēng)荷載不變，只改變電桿的埋入深度，電桿的傾斜率隨埋深產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如圖4 所示。圖中顯示，埋深對電桿的傾斜率影響較大，隨著電桿有效埋深的增加，電桿的傾斜率逐步降低，抗傾覆性能增強(qiáng)。設(shè)置有底盤的電桿基礎(chǔ)的傾斜率明顯要低于未設(shè)置底盤，對電桿加裝底盤對其抗傾覆性能有明顯的提升作用。

圖4 不同埋深下電桿的傾斜率

3.2 土體參數(shù)對電桿抗傾覆性能的影響

土壤礦物成分與顆粒級配、土壤的原始密度、土壤含水量、土體結(jié)構(gòu)等會(huì)對土壤的黏聚力產(chǎn)生影響。在雨水天氣，雨水入滲到土壤中，會(huì)降低土粒之間的電分子力，使得土壤的黏聚力下降；內(nèi)摩擦角與土壤的含水量成反比，含水量越大，其內(nèi)摩擦角越小。土體黏聚力、內(nèi)摩擦角等巖土的材料參數(shù)也會(huì)影響電桿的傾覆性能。因此探究對土體參數(shù)對倒桿的影響規(guī)律在實(shí)際工程中是十分必要的。一般情況下幾種標(biāo)準(zhǔn)土體的參數(shù)［15］見表4。

表4 巖土性能參數(shù)

在相同水平風(fēng)荷載和相同埋深的作用下，改變土體類型，包括土壤的黏聚力、內(nèi)摩擦角、密度和彈性模量。不同土體類型下電桿的傾斜率如圖5 所示。從圖中可以得出，土體類型對電桿的傾覆性能是有影響的，在粉砂和粉土的土體中，電桿的傾斜率最高。粗砂、中砂和細(xì)砂的土體對電桿傾斜率相差不大。黏土1 到黏土5 的傾斜率逐漸增大。

圖5 不同土體電桿的傾斜率

在惡劣天氣下，土體會(huì)受到雨水的沖刷和浸泡，使土壤上層部分的黏聚力下降，內(nèi)摩擦角減少，土壤的抗剪能力急劇下降，降低了電桿的有效埋深。因此，惡劣氣象改變了土體的物理參數(shù)，同時(shí)也降低了電桿的有效埋深，使得電桿抗傾覆性能下降。在實(shí)際工程中，針對天氣條件惡劣的地區(qū)，埋設(shè)電桿時(shí)應(yīng)當(dāng)以有效埋深為參考。實(shí)際上，由于施工和降雨天氣原因，電桿的有效埋深遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的埋深。因此很容易產(chǎn)生倒桿現(xiàn)象。

4 結(jié)論

采用ABAQUS 分析軟件，對混凝土電桿傾覆的影響因素進(jìn)行了仿真分析，仿真過程中主要考慮了3 個(gè)方面因素，即是否安裝底盤、不同電桿埋深、不同的土體參數(shù)。研究結(jié)論如下：

1）對電桿加裝底盤可以增加電桿基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，有利于降低電桿的傾斜率，對提升電桿抗傾覆性能有積極作用。

2）基礎(chǔ)埋深對桿塔抗傾覆性能影響較大，在氣候條件惡劣的地區(qū)，如經(jīng)常有臺風(fēng)、降雨等地區(qū)，可以通過增加有效埋深，來減少混凝土電桿的倒桿現(xiàn)象。

3）電桿的倒桿與土體類型相關(guān)，在工程實(shí)際中，布置電桿前，應(yīng)當(dāng)對當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件進(jìn)行分析評估，對于黏聚力較差的土體可考慮加裝底盤或增大埋深，以減少倒桿現(xiàn)象的發(fā)生。