強(qiáng)風(fēng)作用下高壓輸電塔破壞分析

宋子良 南陽 張世杰

摘 要：高壓輸電塔是在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下的倒塔情況，是影響輸電線路安全運(yùn)行的重要因素之一。選用浙江溫州某輸電線路中的一座35 kV輸電塔，建立有限元模型，在風(fēng)速為40 m/s下，施加90°風(fēng)向角時風(fēng)荷載，并分析塔身內(nèi)部位移、應(yīng)力變化。

關(guān)鍵詞：輸電塔;有限元;靜力響應(yīng)

0 引言

高壓輸電塔是電力系統(tǒng)中重要的組成部分，而風(fēng)荷載對輸電塔的影響是引起倒塔事故的重要原因之一[1]。近年來，輸電塔在強(qiáng)風(fēng)天氣下頻繁出現(xiàn)風(fēng)災(zāi)事故。本文參考某輸電塔220 kV電線路中，利用ABAQUS有限元軟件，建立輸電塔有限元模型，對塔身施加風(fēng)速為40 m/s，風(fēng)向角為90°時的風(fēng)荷載。

1 ? 輸電塔有限元模型的建立

塔高46.95 m，呼高40 m。如圖1所示，鐵塔由單角鋼用螺栓偏心連接而成，角鋼截面為“L”型，鐵塔輔材采用Q235鋼，主材采用Q345鋼，采用23種不同截面規(guī)格角鋼，角鋼材料參數(shù)如表1所示。在有限元模擬軟件ABAQUS中，將鐵塔模型建立完成。

2風(fēng)場模擬

風(fēng)荷載計算采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）中規(guī)定的方法[2-3]，如下式：

式中：ωK為桿塔塔身或橫擔(dān)風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（KN）;βZ為z高度處的風(fēng)振系數(shù)，取1.67;μS為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取2.6;μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.17;ω0為基本風(fēng)壓? ? ?（KN/m2）;v取30 m/s、40 m/s。

在加載時具體計算塔身結(jié)構(gòu)構(gòu)件迎風(fēng)面的投影面積，將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓，平均的分配到每段塔迎風(fēng)桿件節(jié)點(diǎn)上。

3 ? 風(fēng)速40 m/s時輸電塔靜力響應(yīng)分析

鐵塔倒塌的過程如下：如圖2所示，輸電塔在風(fēng)速為? ? ?40 m/s的風(fēng)荷載持續(xù)施加下，經(jīng)歷了13.3 s最終破壞。風(fēng)荷載加載到5 s時，塔身情況如圖2（a）所示，塔身輕微傾斜，塔身內(nèi)部最大應(yīng)力達(dá)到34.12 MPa;在10 s時，如圖2（b）所示，塔身傾斜明顯，最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔身中段主材，為140.4 MPa，直至13.3 s，如圖2（c）所示，塔腳與塔身連接處背風(fēng)面主材達(dá)到550 MPa屈服應(yīng)力，桿件發(fā)生失穩(wěn)破壞，其附近的桿件相繼失穩(wěn)破壞，輸電塔最終失去承載力，塔身主材及輔材發(fā)生大范圍破壞，最終無法繼續(xù)承受風(fēng)荷載發(fā)倒塌。

根據(jù)圖3所示，可以看出塔腳、塔身、塔頂三點(diǎn)位移隨時間的變化。塔頂位移隨時間變化最大，在輸電塔失去承載力時，塔頂位移達(dá)到780.72 mm。其次是塔身，位移達(dá)到260.81 mm，最后是塔腳，破壞時位移只有10.66 mm。

迎風(fēng)面三點(diǎn)的應(yīng)力，與50 m/s風(fēng)速工況對比，三點(diǎn)應(yīng)力變化情況差異不大。塔頂應(yīng)力最大達(dá)到19.81 MPa，塔身中點(diǎn)在0～13 s過程中，應(yīng)力隨荷載的持續(xù)施加逐漸增大，到144.93 MPa，在第13 s至破壞過程中應(yīng)力變化不大，甚至稍有減小。塔腳應(yīng)力在0～10 s過程中與塔身中點(diǎn)相似，應(yīng)力逐漸增大到161 MPa，隨后應(yīng)力突然增大，直到261 MPa，并未達(dá)到屈服強(qiáng)度。塔頂應(yīng)力最大至6.28 MPa，塔身中點(diǎn)背風(fēng)面應(yīng)力與迎風(fēng)面變化類似，0～13 s逐漸增大至146.96 MPa，而后變化不大，塔腳處應(yīng)力在0～13 s內(nèi)由0 MPa增至2.78 MPa，而后應(yīng)力在3.3 s內(nèi)突然增大，直到366.76 MPa。原因與分析? ? 50 m/s工況時相似，可能因?yàn)閼?yīng)力集中。

4 ? 結(jié)語

背風(fēng)面主要受壓，這時的主材承受軸向壓縮，橫截面尺寸發(fā)生突然改變致使截面上應(yīng)力不再均勻分布。同時從云圖中可以分析出，有桿件達(dá)極限屈服應(yīng)力，最終發(fā)生破壞。所以，在后續(xù)的加固工作中，應(yīng)格外關(guān)注塔腿與塔身連接部分。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李士鋒，李宏男，張卓群，等.強(qiáng)風(fēng)荷載作用下輸電線路的連續(xù)倒塌破壞分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2017（5）：835-841.

[2]張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計算手冊[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.

[3]肖正直.特高壓輸電塔風(fēng)振響應(yīng)及等效風(fēng)荷載研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

（編輯 何 琳）