某330 kV輸電線路鐵塔利舊分析

王永華, 查傳明，陳國(guó)慶,孫家文,華 東,李文強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，烏魯木齊 830000;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司,烏魯木齊 830000;3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，長(zhǎng)春 130062)

隨著輸電線路工程建設(shè)增多，新建線路工程受廊道及地理環(huán)境影響，有時(shí)會(huì)存在鐵塔利舊的現(xiàn)象。針對(duì)新建輸電線路工程中存在的鐵塔利舊問題，新建工程的氣象條件和導(dǎo)地線型號(hào)與原有鐵塔的設(shè)計(jì)使用條件不一定完全相符，此時(shí)需要認(rèn)真分析工程設(shè)計(jì)條件。利舊時(shí)，需對(duì)原有鐵塔進(jìn)行校驗(yàn)，避免出現(xiàn)以小帶大的情況。

1 設(shè)計(jì)原理

輸電鐵塔結(jié)構(gòu)一般采用桿單元的拉、壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，鐵塔各桿件承受或拉或壓的軸力，不考慮彎矩的影響，因此結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)主要為桿件的軸心受拉強(qiáng)度、軸心受壓強(qiáng)度及壓穩(wěn)強(qiáng)度計(jì)算。

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式采用荷載、材料性能、幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值以及各種分項(xiàng)系數(shù)等表達(dá)。

1.1 承載能力極限狀態(tài)表達(dá)式

γo(γGSGK+Ψ∑γQiSQKi)≤R

(1)

式中：γo為桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，重要線路不應(yīng)小于1.1，臨時(shí)線路取0.9，其他線路取1.0；γG為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)不大于1.0，不利時(shí)取1.2；γQi為第i項(xiàng)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；SGK為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SQKi為第i項(xiàng)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；Ψ為可變荷載組合系數(shù)，正常運(yùn)行取1.0，事故、安裝及不均勻覆冰取0.9，驗(yàn)算取0.75；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

1.2 軸心受力構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算

N/An≤mf

(2)

式中：N為軸心拉力或軸心壓力設(shè)計(jì)值；m為構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)，按技術(shù)規(guī)定取值；An為構(gòu)件凈截面面積；f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.3 軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算

受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算，考慮了截面的不同形狀和尺寸、不同的加工條件及相應(yīng)的殘余應(yīng)力，并考慮0.1%的初始彎曲，得出多條柱子曲線，即λ-φ關(guān)系曲線供設(shè)計(jì)使用。按構(gòu)件截面分為a、b、c三類。構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算的表達(dá)式如下：

N/(φA)≤mNf

(3)

式中：A為構(gòu)件毛截面面積；mN為壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)，即翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比(圖1寬厚比b/t)計(jì)算確定，B為角鋼肢寬，b、w為翼緣板自由外伸寬度，t為角鋼肢厚，x為角鋼平行軸，x0為角鋼對(duì)稱軸，y0為角鋼最小軸，Z0為角鋼重心線，R為內(nèi)圓弧半徑；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

圖1 角鋼構(gòu)件計(jì)算示意圖

2 設(shè)計(jì)條件對(duì)比

某330 kV輸電線路工程總長(zhǎng)度約35 km，分為10、15和20 mm重冰區(qū)3段。其中15 mm冰區(qū)為單回路架設(shè)，導(dǎo)線型號(hào)為2×JL/G1A-300/50型鋼芯鋁絞線，地線一側(cè)為1×19-13.0-1370-B(GJ-100)鋼絞線，另一側(cè)采用OPGW-15-120-2(36芯)光纜；氣象條件為：最大風(fēng)速27 m/s，覆冰厚度15 mm。

在設(shè)計(jì)過程中業(yè)主提出要求，要利舊另一條330 kV線路拆除入庫(kù)的鐵塔，可根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行折減條件使用。通過搜集資料得知，原有330 kV線路工程使用國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)中鐵塔3A2系列[1]，該系列鐵塔設(shè)計(jì)條件導(dǎo)線型號(hào)2×JL/G1A-300/70型鋼芯鋁絞線，地線JLB-120鋁包鋼絞線；氣象條件：最大風(fēng)速27 m/s，覆冰厚度10 mm。

根據(jù)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[3]和DL/T 5440—2009《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[4]相關(guān)規(guī)定，330 kV架空輸電線路為二類工程，覆冰厚度15 mm地區(qū)定義為中冰區(qū)，覆冰厚度10 mm地區(qū)定義為輕冰區(qū)，兩個(gè)冰區(qū)的設(shè)計(jì)要求有所不同。如將3A2系列輕冰區(qū)鐵塔用于覆冰厚度15 mm的中冰區(qū)工程，需對(duì)該系列鐵塔按實(shí)際使用條件進(jìn)行驗(yàn)算，以確定是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，現(xiàn)將兩個(gè)系列的鐵塔設(shè)計(jì)條件進(jìn)行比較, 3A2系列塔型和本工程設(shè)計(jì)導(dǎo)線參數(shù)對(duì)比見表1，地線參數(shù)對(duì)比見表2。

表1 3A2系列塔型和該工程設(shè)計(jì)導(dǎo)線參數(shù)對(duì)比

表2 3A2系列塔型和該工程設(shè)計(jì)地線參數(shù)對(duì)比

3 直線塔設(shè)計(jì)條件比較

以3A2-ZMC2-39m塔為例，將該塔型的原有設(shè)計(jì)條件進(jìn)行初步折減，將原有3A2系列直線塔設(shè)計(jì)條件與該工程設(shè)計(jì)要求條件進(jìn)行比較分析，見表3、表4。

表3 3A2-ZMC2直線塔與該工程設(shè)計(jì)檔距驗(yàn)算對(duì)比 m

表4 3A2直線塔和該工程實(shí)際直線塔設(shè)計(jì)覆冰厚度和斷線工況張力差百分比對(duì)比

3.1 不均勻覆冰工況計(jì)算要求

3A2直線塔和該工程實(shí)際直線塔設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如下。

3A2直線塔：所有導(dǎo)、地線同時(shí)同向有不均勻覆冰的不平衡張力，使桿塔承受最大的彎矩。

該工程實(shí)際需要考慮2種工況(有2個(gè)參數(shù))，第1個(gè)參數(shù)除了和3A2直線塔相同外，還有第2個(gè)參數(shù)，即所有導(dǎo)、地線同時(shí)不同向有不均勻覆冰的不平衡張力，使桿塔承受最大的扭矩。

對(duì)中冰區(qū)鐵塔，要比輕冰區(qū)鐵塔增加計(jì)算不均勻覆冰條件下鐵塔抗扭工況。

3.2 不均勻覆冰工況導(dǎo)線張力差百分比對(duì)比

不均勻覆冰工況導(dǎo)線張力差百分比3A2直線塔是10%，該工程是15%，張力差百分比不同，對(duì)中冰區(qū)，還需判斷一側(cè)覆冰率100%，另一側(cè)覆冰率30%的情況，張力差百分比取大值。

3.3 不均勻覆冰工況地線張力差百分比對(duì)比

不均勻覆冰工況地線張力差百分比3A2直線塔是20%，該工程是25%，張力差百分比不同，對(duì)中冰區(qū)，還需判斷一側(cè)覆冰率100%，另一側(cè)覆冰率30%的情況，張力差取大值。

根據(jù)上述分析，通過計(jì)算可得出3A2直線塔原有設(shè)計(jì)條件與該工程實(shí)際條件下的斷線工況和不均勻冰工況導(dǎo)地線張力差對(duì)比(見表5)。

表5 3A2直線塔原設(shè)計(jì)條件和該工程實(shí)際設(shè)計(jì)條件導(dǎo)地線張力差對(duì)比 N

由表5對(duì)比可知，該工程實(shí)際直線塔與3A2系列直線塔相比，斷線工況下導(dǎo)線張力差增加了31%，地線張力差減少了14.9%；不均勻冰工況下導(dǎo)線張力差增加了185.2%，地線張力差增加了108.1%。

4 直線塔有限元分析

利用有限元軟件ANSYS建立3A2-ZMC2鐵塔模型，并進(jìn)行模態(tài)分析。為簡(jiǎn)化模型，將鐵塔桿件模型建立成梁?jiǎn)卧凑諏?shí)際工程荷載，將荷載輸入模型中，因該塔型為高低腿鐵塔，模型選擇呼高為33 m的鐵塔模型，見圖2。

圖2 直線塔模型

加載荷載后，以39 m呼高為例，模型位移云圖見圖3。

圖3 模型位移云圖

由圖3可以看出，鐵塔模型最大位移值為0.021 538 m。

該塔型為懸垂直線自立式鐵塔，根據(jù)GB 50545—2010，懸垂直線自立式鐵塔的計(jì)算撓度限值為3h/1 000，此處h為桿塔最長(zhǎng)腿頂面至計(jì)算點(diǎn)的高度。鐵塔39 m呼高的鐵塔總高度為48.1 m，計(jì)算撓度限值為0.144 3 m。由計(jì)算得知，本鐵塔最大位移值遠(yuǎn)小于計(jì)算撓度限值，說明在實(shí)際使用條件下，該鐵塔能夠滿足塔頭位移要求。

為繼續(xù)研究該鐵塔利舊情況，現(xiàn)分別選擇塔身4-7、15段主材、斜材為研究對(duì)象，主材角鋼有3種規(guī)格，斜材角鋼有5種規(guī)格，見表6。

表6 主材和斜材角鋼規(guī)格的選擇 mm×mm

驗(yàn)算條件下，6段主材桿件的應(yīng)力比為97.1%，此段主材需要稍微增大規(guī)格。塔身斜材的應(yīng)力比均超過1.0，應(yīng)力比由上往下逐漸減小，其中塔身4段第一組交叉斜材應(yīng)力比為161.9%，腿部隔面上部交叉斜材應(yīng)力比為128.1%，塔身所有斜材均不滿足設(shè)計(jì)要求，需要全部進(jìn)行更換。

為更加直觀地研究鐵塔主材、斜材，在分析鐵塔模型有限元之后，提取了相關(guān)數(shù)據(jù)，見表7、表8?？梢钥闯觯鞑慕卿撔枰獫M足要求，而斜材角鋼的計(jì)算應(yīng)力大于允許應(yīng)力，應(yīng)力百分比全部超過100%，意味著要替換塔身4-7、15段的所有斜材，故如將3A2系列鐵塔用于本項(xiàng)目，將會(huì)產(chǎn)生大量主斜材更換問題，估算更換質(zhì)量比例約為塔身質(zhì)量的30%以上，導(dǎo)致原有鐵塔材料的浪費(fèi)，且部分桿件因內(nèi)力增大導(dǎo)致端頭連接螺栓數(shù)量不足，需增加連接螺栓，包括連接板也要進(jìn)行相應(yīng)更換[5]。

表7 主材計(jì)算應(yīng)力及百分比

表8 斜材計(jì)算應(yīng)力及百分比

該工程與3A2系列鐵塔設(shè)計(jì)氣象條件中風(fēng)速取值相同，僅僅是覆冰厚度由10 mm增加到15 mm，且本工程導(dǎo)線鋼芯截面積小于原3A2系列鐵塔設(shè)計(jì)條件，經(jīng)實(shí)際建模驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，如將原有3A2系列鐵塔用于該工程，存在以下問題：

a.原有直線塔桿件更換較多，塔材更換比例達(dá)到30%以上，且部分桿件的端頭螺栓數(shù)量不足，連接板也需要相應(yīng)更換，廠家需要重新進(jìn)行放樣；

b.因桿件更換數(shù)量較多，施工單位調(diào)換材料較多，施工難度較大；

c.在鐵塔施工階段容易發(fā)生桿件混用情況，造成本應(yīng)該更換的桿件未按要求調(diào)整，對(duì)后期線路安全運(yùn)行構(gòu)成隱患，故建議原有利舊鐵塔不用于本工程，而是按原設(shè)計(jì)條件在相同氣象區(qū)工程使用，避免因設(shè)計(jì)條件變化引起大面積的材料更換問題[6]。

5 結(jié)論

通過對(duì)某330 kV線路工程原3A2系列鐵塔利舊分析，鐵塔原設(shè)計(jì)條件與新工程實(shí)際情況不符，并通過有限元計(jì)算，對(duì)鐵塔主斜材進(jìn)行分析對(duì)比，原鐵塔需要替換的桿件較多，且施工難度較大，因此，該工程不推薦采用該塔型鐵塔利舊方案；此外，鐵塔利舊情況復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求后方可利舊使用。