鍍鋅鋼絞線柔性腹桿結(jié)構(gòu)在輸電塔中的應(yīng)用研究

王中強(qiáng)，張林

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

桿塔結(jié)構(gòu)作為電力系統(tǒng)架空輸電線路的主要載具，其安全運(yùn)行與建造成本越來(lái)越受到人們的重視。在桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)，積極采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，推廣采用節(jié)能、降耗、環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)

品[1-2]。

2006—2010年電網(wǎng)故障原因統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，設(shè)備故障與自然災(zāi)害是造成電網(wǎng)故障的主要原因[3]。更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，在引發(fā)電力系統(tǒng)事故的各種自然災(zāi)害中，風(fēng)災(zāi)是造成輸電塔破壞的主要原因，其次是冰災(zāi)，此外還有火災(zāi)、水災(zāi)、地震災(zāi)害、雷電災(zāi)害。謝強(qiáng)、李杰[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)自然災(zāi)害的現(xiàn)狀做了大量的統(tǒng)計(jì)與分析，列舉了眾多案例，提出了建立預(yù)警機(jī)制、應(yīng)急機(jī)制與將抗震研究重點(diǎn)放在構(gòu)筑物等對(duì)策。因此，在設(shè)計(jì)與研究輸電塔性能時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)荷載與覆冰荷載對(duì)輸電塔的影響，同時(shí)，也不可忽視地震的影響。

劉石、楊毅等[5]針對(duì)輸電塔破壞的主要原因，對(duì)輸電塔-線體系進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，并指出，應(yīng)加強(qiáng)垂直于導(dǎo)線走向的塔身中部的穩(wěn)定承載力，并且不可忽視橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的貢獻(xiàn)。史天如等[6-7]根據(jù)實(shí)例對(duì)冰風(fēng)荷載做了大量分析，根據(jù)系統(tǒng)分析、計(jì)算結(jié)果的可靠性及線路所在地區(qū)的氣候條件，給出了相應(yīng)防災(zāi)措施。在眾多結(jié)構(gòu)中，輸電塔使用鍍鋅鋼絞線柔性腹桿結(jié)構(gòu)主要有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)[8]：（1）鍍鋅鋼絞線只承受拉力，避免了桿件失穩(wěn)的缺點(diǎn)；（2）使用鍍鋅鋼絞線便于調(diào)節(jié)塔架垂直度，能減小安裝誤差；（3）鍍鋅鋼絞線截面積小，能夠一定程度上減少塔身迎風(fēng)面積與輸電塔自重；（4）相對(duì)于普通鋼材，鍍鋅鋼絞線具有更強(qiáng)的抗拉性能，將其作為受拉構(gòu)件，更能充分發(fā)揮其抗拉性能。

查看《輸電線路塔形手冊(cè)》可以發(fā)現(xiàn)，里面的輸電塔均為單腹桿、雙腹桿、K形腹桿、有輔助桿件的雙腹桿結(jié)構(gòu)體系，未發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼絞線柔性腹桿結(jié)構(gòu)體系。因此，本文選取《輸電線路塔形手冊(cè)》中110DSn輸電塔為原型，將其塔身改造成鍍鋅鋼絞線柔性腹桿結(jié)構(gòu)體系，然后對(duì)兩塔進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析。

1 結(jié)構(gòu)改造與有限元模型的建立

兩塔基本設(shè)計(jì)參數(shù)：塔高23m、鐵塔根開(kāi)3.98m、水平檔距350m、垂直檔距500m、最大設(shè)計(jì)風(fēng)速30m/s、最大覆冰10mm、導(dǎo)線型號(hào)LGJ-240/40、地線型號(hào)GJ-50。

1.1 結(jié)構(gòu)改造

在110JGU2的基礎(chǔ)上，橫擔(dān)、塔腿等部位保持原結(jié)構(gòu)不變，對(duì)輸電塔塔身進(jìn)行改造：在斜桿與主桿交接處新增橫桿，并且把全部斜桿用相應(yīng)規(guī)格的鍍鋅鋼絞線替代。對(duì)GJ-50（7*3.0mm）、GJ-90（7*4.0mm）規(guī)格的鋼絞線分別施加一定預(yù)應(yīng)力，用于抵抗拉索自身重力所產(chǎn)生的變形，并給予輸電塔一定的初始剛度，具體施加值見(jiàn)3.1節(jié)。改造后輸電塔塔身材料如表1所示，圖1為改造前后兩塔的兩線圖。

表1 構(gòu)件型號(hào)

圖1 輸電塔兩線圖

改造后主桿的長(zhǎng)細(xì)比未改變，其構(gòu)件穩(wěn)定性相對(duì)于原結(jié)構(gòu)變化不大。鋼絞線作為腹桿后，能充分發(fā)揮鋼絞線的抗拉性能，同時(shí)減少了壓桿的使用，降低了輸電塔因桿件失穩(wěn)而遭到破壞的風(fēng)險(xiǎn)。塔身新增橫桿在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量，但新增構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比小，具有較好的穩(wěn)定性。

假設(shè)輸電塔改造前后所使用的鋼板、螺栓、腳釘、墊圈等連接構(gòu)件用量相同。經(jīng)計(jì)算可知，改造前輸電塔總重5295.7kg，改造后輸電塔總重4379.5kg，改造后相對(duì)于改造前節(jié)約鋼材17.3%。

1.2 有限元模型的建立

為了減少工作量，本文采用梁-桁混合模型對(duì)輸電塔建模，讓計(jì)算結(jié)果既能較客觀真實(shí)地反應(yīng)輸電塔實(shí)際受力特性，又能使工作量適當(dāng)。在建模時(shí)簡(jiǎn)化了各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的連接，桿件與桿件之間直接節(jié)點(diǎn)相連；同時(shí)，為了讓結(jié)果更真實(shí)，在建模時(shí)將主桿、橫桿、斜桿設(shè)置為梁?jiǎn)卧?，輔桿設(shè)為桁架單元，鍍鋅鋼絞線設(shè)置成只受拉的索單元。

2 荷載工況選擇與加載方案設(shè)計(jì)

2.1 荷載工況

根據(jù)研究目的、規(guī)范要求和輸電塔主要事故原因分析，本文選取了如下六種荷載組合工況對(duì)模型進(jìn)行有限元分析：

（1）0°風(fēng)向、風(fēng)速30m/s、無(wú)冰、未斷線；

（2）45°風(fēng)向、風(fēng)速30m/s、無(wú)冰、未斷線；

（3）90°風(fēng)向、風(fēng)速30m/s、無(wú)冰、未斷線；

（4）90°風(fēng)向、風(fēng)速10m/s、10mm覆冰、未斷線；

（5）有冰、無(wú)風(fēng)氣象條件下，事故段右側(cè)回路兩相導(dǎo)線、地線未斷工況；

（6）安裝荷載（雙倍吊線）。

2.2 加載方案設(shè)計(jì)

為了探究預(yù)應(yīng)力對(duì)改造后結(jié)構(gòu)的影響，分級(jí)對(duì)GJ-50（7*3.0mm）、GJ-90（7*4.0mm）兩個(gè)規(guī)格的鋼絞線施加0%、10%、20%、30%、40%、50%鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力，即0kN與0kN、3.7kN與6.7kN、7.5kN與13.4kN、11.2kN與20.1kN、15kN與26.8kN、18.6kN與33.5kN，然后對(duì)比分析。

由于在建模時(shí)簡(jiǎn)化了鋼板、螺栓、腳釘、墊圈等連接構(gòu)件，為了使分析結(jié)果更準(zhǔn)確，本文使用改變密度法將鋼板、螺栓、腳釘、墊圈等連接構(gòu)件質(zhì)量均衡施加到塔身。同樣應(yīng)用改變密度法模擬覆冰，取鋼材密度為7850kg/m3，取冰的密度為0.9g/cm3，由于輸電線路的檔距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的直徑，所以在此不考慮導(dǎo)線剛度對(duì)輸電線路的影響。將導(dǎo)線垂直荷載、導(dǎo)線風(fēng)荷載、導(dǎo)線張力計(jì)算出具體數(shù)值，以點(diǎn)荷載形式直接加載在橫擔(dān)掛線處；將作用于塔身的風(fēng)荷載以點(diǎn)荷載形式，依據(jù)規(guī)范分段加載在塔身節(jié)點(diǎn)上。為方便計(jì)算，將輸電塔分為17段，如圖1所示。

2.3 風(fēng)荷載計(jì)算

作用于導(dǎo)線及地線的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WX（kN）按式（1）計(jì)算，基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值WO（kN/m2）按式（2）計(jì)算。

式中：α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μSC為導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；βC為500kV和750kV線路導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；d為導(dǎo)線或者地線外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑；LP為桿塔的水平檔距（m）；B1為覆冰荷載增大系數(shù)；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角。

作用于輸電塔的風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值WS（kN）按式（3）計(jì)算。

式中：W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μS為構(gòu)件體型系數(shù)；βZ為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；B2為覆冰荷載增大系數(shù)；AS為構(gòu)件承受風(fēng)壓的投影面積計(jì)算值（m2）。

圖2 為工況1～4作用下塔身各段所產(chǎn)生的風(fēng)壓力，由于改造后輸電塔結(jié)構(gòu)擋風(fēng)面積減小，導(dǎo)致塔身在各個(gè)荷載組合工況作用下所產(chǎn)生的風(fēng)壓力降低。

圖2 各工況作用下塔身風(fēng)荷載

3 靜力分析

3.1 位移分析

根據(jù)《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154—2012）規(guī)定，桿塔的計(jì)算撓度應(yīng)滿(mǎn)足式（4）要求。

式中：△μ為位移；h為塔高。

經(jīng)計(jì)算，塔頂最大位移不應(yīng)超過(guò)161mm。

用有限元軟件Midas Gen對(duì)各塔進(jìn)行加載模擬，可知在各工況作用下，改造前輸電塔塔身最大位移均出現(xiàn)在塔頂，表2為兩塔在各種工況作用下的最大位移值。

表2 不同結(jié)構(gòu)在各工況下的位移（單位：mm）

由表2可知，對(duì)輸電塔施加六種荷載組合工況時(shí)，隨著鋼絞線預(yù)應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)最大位移均有所減小，在施加預(yù)應(yīng)力在20%之前效果最明顯，當(dāng)預(yù)應(yīng)力加到30%鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，結(jié)構(gòu)最大位移減小幅度開(kāi)始變緩，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力加到40%鋼絞線設(shè)計(jì)荷載后，在工況1、工況3、工況4、工況6荷載工況作用下隨著預(yù)應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)隨著預(yù)應(yīng)力的增加最大位移出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。特別是在工況6作用下，當(dāng)預(yù)應(yīng)力施加到20%鋼絞線設(shè)計(jì)荷載后，輸電塔便出現(xiàn)最大位移反增的趨勢(shì)。但是在工況5（斷線荷載）作用下，當(dāng)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力超過(guò)40%鋼絞線設(shè)計(jì)荷載后，輸電塔最大位移仍然隨著預(yù)應(yīng)力的增加而減小。

根據(jù)上述分析可知：（1）鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力能顯著改善結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)最大位移；（2）當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力在0～30%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，最大位移能顯著減小，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力大于30%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，結(jié)構(gòu)最大位移隨著預(yù)應(yīng)力的增加變化不大，甚至部分荷載工況下出現(xiàn)位移反增的情況。因此，本文取30%鋼絞線設(shè)計(jì)值作為鋼絞線所施加的預(yù)應(yīng)力。

鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力為30%設(shè)計(jì)值時(shí)，在各荷載組合工況作用下，改造前后兩塔最大位移差值分別為：2.9mm、1.5mm、1.3mm、1.8mm、12.7mm、1.3mm。在風(fēng)荷載與覆冰荷載組合工況下，兩塔的最大位移值相差不大；在斷線荷載工況作用下兩塔均出現(xiàn)最大位移，但均遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的最大位移限制。圖3為部分工況作用下的位移圖。

圖3 部分工況作用下兩塔位移圖（單位：mm）

3.2 應(yīng)力分析

根據(jù)Midas Gen計(jì)算結(jié)果可知，改造后輸電塔受壓側(cè)主桿在1、2、6、7段主桿處所受應(yīng)力比較大，且相應(yīng)部位應(yīng)力大小與改造前差別不大，即改造前后輸電塔主材受力情況變化不大；改造后輸電塔在各種荷載工況下，橫腹桿承受的壓應(yīng)力比較大，與主桿相當(dāng)；在不考慮連接鋼板對(duì)節(jié)點(diǎn)處的加強(qiáng)作用的情況下，改造后輸電塔在斷線荷載組合工況作用下，上橫擔(dān)（斷線處）與主桿交接處主桿出現(xiàn)了局部應(yīng)力較大，達(dá)到了206MPa，如圖4b）所示，因此改造后輸電塔應(yīng)該適當(dāng)對(duì)橫擔(dān)下弦與主桿交接處的主桿適當(dāng)加強(qiáng)。其余部位應(yīng)力大小與改造前差別不大，在塔腿底部，主桿改造后輸電塔所受應(yīng)力甚至比改造前輸電塔所受應(yīng)力小。受拉桿件情況與改造前輸電塔差別不大，改造后輸電塔腹桿鋼絞線的應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)值，在此不過(guò)多陳述。

圖4 部分工況作用下兩塔梁?jiǎn)卧膽?yīng)力云圖（單位：N/mm2）

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，改造前后兩塔應(yīng)力最大值分別為100.7MPa、206.1MPa，如圖4a）、圖4b）所示。在以風(fēng)荷載為控制荷載的荷載組合中，90°風(fēng)向時(shí)梁?jiǎn)卧霈F(xiàn)構(gòu)件應(yīng)力最大值，改造前后兩塔應(yīng)力最大值分別為59.4MPa、66.9MPa，如圖4c）、4d）所示。《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545—2010）中規(guī)定：Q235角鋼厚度小于等于16mm時(shí)，強(qiáng)度限值不能大于215MPa；Q345角鋼厚度小于等于16mm時(shí)，強(qiáng)度限值不能大于310MPa；Q345角鋼厚度小于等于16mm時(shí)，強(qiáng)度限值不能大于310MPa；強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1270N/mm2的7股熱鍍鋅鋼絞線，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為745N/mm2。改造前后兩塔構(gòu)件所受的應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 模態(tài)分析

Midas Gen軟件提供了以下3種計(jì)算振動(dòng)模態(tài)的方法：（1）子空間迭代法；（2）Lanczos法；（3）多重Ritz向量法。本文采用Lanczos法對(duì)輸電鐵塔有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，兩塔前6階自振頻率與周期如表3所示。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）給出了一般結(jié)構(gòu)的基本自振周期：

式中：H為鐵塔高度。

此公式的取值范圍較寬泛，且適用于外形沒(méi)有間斷、結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒(méi)有突然變化很大的結(jié)構(gòu)，通常在輸電塔的設(shè)計(jì)中，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的第一自振周期?？梢运愠?，本文的輸電塔自振周期范圍為0.161～0.299，改造前后兩塔第一階自振周期經(jīng)有限元計(jì)算分別為0.1981、0.2428，均在其范圍內(nèi)。輸電塔前6階自振頻率與振型特性見(jiàn)表3，圖5、圖6分別為改造前后兩塔的前6階部分振型圖。

由表3、圖5、圖6可知，改造前輸電塔的第三、五、六階振型是整體振型和局部振型的混合振型，此處可能是此鐵塔結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，改造后輸電塔未出現(xiàn)構(gòu)件局部振動(dòng)的振型，即改造后輸電塔不用擔(dān)心構(gòu)件局部振動(dòng)破壞問(wèn)題；改造前輸電塔第一、二階振型沿x、y向整體傾斜振動(dòng)，第三、五、六階振型是整體振型和局部振型的混合振型，第四階振型整體繞z軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；改造后輸電塔所有振型均為輸電塔整體扭曲與整體傾斜振動(dòng)振型，且整體繞z軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)出現(xiàn)在第一階振型，即繞z軸扭轉(zhuǎn)振可能是輸電塔的薄弱環(huán)節(jié)?？偟膩?lái)說(shuō)，改造前輸電塔結(jié)構(gòu)除了需要關(guān)注結(jié)構(gòu)整體傾斜振動(dòng)破壞、整體扭曲振動(dòng)破壞外，還需要關(guān)注結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件振動(dòng)破壞問(wèn)題；改造后，除了應(yīng)該關(guān)注輸電塔結(jié)構(gòu)整體傾斜振動(dòng)破壞、整體扭曲振動(dòng)破壞外，還應(yīng)特別關(guān)注整體繞z軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)早出現(xiàn)的問(wèn)題，這可能是輸電塔的薄弱環(huán)節(jié)，但不需要太關(guān)注局部構(gòu)件振動(dòng)破壞問(wèn)題。

圖5 改造前部分振型圖

圖6 改造后部分振型圖

表3 輸電塔前6階自振頻率與振型特性

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

（1）假設(shè)輸電塔改造前后所使用的鋼板、螺栓、腳釘、墊圈等連接構(gòu)件用量相同，改造前輸電塔總重5295.7kg，改造后輸電塔總重4379.5kg，改造后相對(duì)于改造前節(jié)約鋼材17.3%；

（2）鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力能顯著改善結(jié)構(gòu)剛度，取值在20%～30%鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度之間時(shí)比較合適，施加預(yù)應(yīng)力大于30%鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，結(jié)構(gòu)最大位移隨著預(yù)應(yīng)力的增加變化不大，甚至部分荷載工況下出現(xiàn)位移反增的情況；

（3）改造后輸電塔的剛度、擋風(fēng)面積減小，在風(fēng)荷載為控制荷載的工況下，結(jié)構(gòu)最大位移變化不大。在斷線荷載下，最大位移達(dá)到61mm，較改造前結(jié)構(gòu)的最大位移48.3mm增大12.7mm，但滿(mǎn)足規(guī)范要求的最大位移限值161mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

（4）在各荷載工況作用下，改造前后輸電塔主桿所承受的應(yīng)力大小差別不大，但是改造后輸電塔在斷線荷載組合工況作用下，上橫擔(dān)（斷線處）與主桿交接處主桿出現(xiàn)了局部應(yīng)力較大的情況；此外，新增加的橫腹桿所受應(yīng)力也較大?？偟膩?lái)說(shuō)，改造后輸電塔相對(duì)于改造前大部分主桿應(yīng)力有所增加，特別是改造后輸電塔橫腹桿應(yīng)力遠(yuǎn)大于改造前斜腹桿應(yīng)力，但是均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，即改造后輸電塔能更好地發(fā)揮材料性能；

（5）通過(guò)模態(tài)分析可知，改造前輸電塔除了需要關(guān)注結(jié)構(gòu)整體傾斜振動(dòng)破壞、整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)破壞外，還需要關(guān)注結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件振動(dòng)破壞問(wèn)題；改造后輸電塔應(yīng)該關(guān)注結(jié)構(gòu)整體傾斜振動(dòng)破壞、整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)破壞，特別是整體繞z軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過(guò)早出現(xiàn)的問(wèn)題，這可能是輸電塔的薄弱環(huán)節(jié)，但不需要太關(guān)注局部構(gòu)件振動(dòng)破壞問(wèn)題。