導(dǎo)線斷裂誘發(fā)T接塔線系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

李 濤,盛金馬,朱曉峰,韓承永,王傳雙,陳 磊,李 凱

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,安徽 合肥 230071; 2.安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司,安徽 合肥 230022; 3.北京航空航天大學(xué)合肥創(chuàng)新研究院,安徽 合肥 230012; 4.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

導(dǎo)線斷裂可能導(dǎo)致輸電塔線體系發(fā)生破壞,給災(zāi)區(qū)電力設(shè)施帶來慘重?fù)p失[1-2]。冰雪載荷增加了傳輸線體系的應(yīng)力,增大了導(dǎo)線斷裂的可能性。研究考慮冰荷載情況下的導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔線體系破壞十分必要。目前已有不少關(guān)于導(dǎo)線斷裂對(duì)電力設(shè)施破壞方面的研究[3-5],但較側(cè)重于導(dǎo)線斷裂誘發(fā)傳輸線的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)行為方面[6-8],對(duì)傳輸電塔的破壞研究也非常重要。傳輸電塔高且是柔性結(jié)構(gòu),失穩(wěn)失效是其主要失穩(wěn)模式[9-10]。導(dǎo)線斷裂導(dǎo)致傳輸塔失穩(wěn)失效值得深入研究[11-13]。

本文以一種新型單回路T接塔輸電線路為例,構(gòu)建輸電塔線體系精細(xì)化有限元模型,利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA分析冰載作用下導(dǎo)線斷裂誘發(fā)輸電塔線體系的非線性靜力穩(wěn)定性及動(dòng)力穩(wěn)定性,采用B-R準(zhǔn)側(cè)判斷失穩(wěn)[14-15],為新型單回路T接塔輸電線路技術(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 模 型

1.1 有限元模型

本文以35 kV輸電線路中一種新型單回路T接塔作為研究對(duì)象。導(dǎo)線為LGJ-240/30,地線為GJ-50,水平跨度L為300 m。絕緣子型號(hào)為XWP-70。在ANSYS/LS-DYNA中建立一塔三線模型,考慮幾何非線性,采用線彈塑性模型模擬鋼材的材料非線性。塔身和橫擔(dān)主材采用Q345角鋼,塔身斜材、橫膈和其他輔材選用Q235角鋼。在靜力計(jì)算中電塔桿件和絕緣子均采用BEAM188梁單元,輸電線采用LINK180單元;在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中電塔桿件和絕緣子均采用可自定義截面形狀的BEAM161梁單元,輸電線選用LINK160單元。輸電線端部為固定約束,電線與絕緣子之間采用耦合的形式進(jìn)行連接。一塔三線輸電塔線體系精細(xì)化有限元模型如圖1所示。

圖1 一塔三線輸電塔線體系精細(xì)化有限元模型

導(dǎo)線在自重作用下的拋物線型計(jì)算公式為:

(1)

其中:H為跨中張力;q為導(dǎo)線荷載;L為跨度。

1.2 冰荷載模型

本文將輸電鐵塔和導(dǎo)線等作為一個(gè)整體進(jìn)行研究,在ANSYS中建立一塔三線T接有限元模型后,考慮冰荷載作用下導(dǎo)線斷裂對(duì)體系的穩(wěn)定性。輸電塔角鋼構(gòu)件及絕緣子單位表面積上的覆冰荷載為:

q1=0.6×10-3ba2γ

(2)

其中:b為覆冰厚度;a2為覆冰厚度的高度遞增系數(shù);γ為覆冰重度,一般取9 000 N/m3。

導(dǎo)(地)線單位長度的覆冰荷載為:

q2=1×10-6πba1a2(d+ba1a2)γ

(3)

其中:a1為與導(dǎo)(地)線直徑有關(guān)的覆冰厚度修正系數(shù);d為導(dǎo)(地)線的直徑。

1.3 角鋼構(gòu)件材料本構(gòu)

為精確模擬導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔失效行為,為電塔角鋼構(gòu)件選擇合適的材料本構(gòu)模型十分關(guān)鍵。本文采用線彈塑性本構(gòu)模型,其應(yīng)力的應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

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圖2 線彈塑性隨動(dòng)硬化材料模型

圖2中:E、Et分別為彈性和塑性硬化模量;β為硬化參數(shù)控制材料的硬化方向。β=0、β=1分別表示隨動(dòng)硬化和各向同性硬化,0<β<1表示混合硬化,本文β取1。

2 靜力穩(wěn)定性分析

為得到導(dǎo)線斷裂誘發(fā)下非平衡張力導(dǎo)致的傳輸塔失效機(jī)理,首先進(jìn)行塔線體系的靜態(tài)穩(wěn)定分析。選取4個(gè)典型導(dǎo)線斷裂點(diǎn)進(jìn)行分析,分別為3個(gè)不同導(dǎo)線(上導(dǎo)線、左導(dǎo)線和右導(dǎo)線)斷裂以及1個(gè)地線斷裂。為與導(dǎo)線未斷情形進(jìn)行比較,也給出了電塔在導(dǎo)線未斷情形下受冰載作用的靜態(tài)失穩(wěn)結(jié)果。

塔線體系靜態(tài)失效模式如圖3所示。從圖3a可以看出,在沒有電纜斷裂的情形下,電塔在冰載作用下的斷裂點(diǎn)出現(xiàn)在塔的中下部位。從圖3b可以看出,上導(dǎo)線斷裂情形下,電塔最終會(huì)在塔的上部產(chǎn)生破壞,與其他情形有明顯不同。從圖3c可以看出,地線斷裂情形下,電塔斷裂點(diǎn)出現(xiàn)在塔的中間部位,比沒有導(dǎo)線斷裂情形的位置增高。從圖3d、圖3e可以看出,左導(dǎo)線和右導(dǎo)線斷裂情形下，電塔的破壞位置都處在塔的中下部位,右導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的位置更低。

圖3 塔線體系靜態(tài)失效模式

塔線體系結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的靜態(tài)覆冰厚度-位移曲線如圖4所示。

圖4 靜態(tài)覆冰厚度電塔頂點(diǎn)位移曲線

從圖4可以看出,上導(dǎo)線斷裂情形下,在冰厚度為15 mm時(shí),曲線趨于水平,依據(jù)B-R準(zhǔn)則,結(jié)構(gòu)已達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)；其他情形下,在冰厚度為20 mm時(shí),曲線趨于水平,結(jié)構(gòu)達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。結(jié)果表明,上導(dǎo)線的斷裂對(duì)塔的穩(wěn)定性具有決定性作用,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)上導(dǎo)線。

3 動(dòng)力穩(wěn)定性分析

地線、上導(dǎo)線、左導(dǎo)線和右導(dǎo)線斷裂情形下電塔失穩(wěn)動(dòng)力學(xué)過程如圖5～圖8所示。

在導(dǎo)線斷裂的初始階段,塔線體系仍然處于彈性狀態(tài);經(jīng)過一段時(shí)間后,電塔破壞位置附近開始有單元進(jìn)入屈服狀態(tài);接著更多的單元失效,導(dǎo)致電塔整體失穩(wěn)。從圖5～圖8可以看出,失效破壞位置和靜力學(xué)情形下的完全一致。從圖6～圖8可以看出,3根不同導(dǎo)線斷裂誘發(fā)電塔失穩(wěn)模態(tài),失穩(wěn)破壞位置與圖2中靜力情形完全一致。

圖5 地線斷裂誘發(fā)塔線體系動(dòng)態(tài)失效模式

圖6 上導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔線體系動(dòng)態(tài)失效模式

圖7 左導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔線體系動(dòng)態(tài)失效模式

圖8 右導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔線體系動(dòng)態(tài)失效模式

圖5所示的地線斷裂誘發(fā)電塔失穩(wěn)過程中,雖然電塔中下部先發(fā)生較大變形,但塔失穩(wěn)破壞仍然發(fā)生在上部,與靜態(tài)情形一致。

圖9 覆冰厚度電塔頂點(diǎn)位移曲線

4 結(jié) 論

針對(duì)冰荷載對(duì)輸電塔-線體系的安全性影響問題,本文建立了一種新型單回路T接塔的塔-線體系有限元模型,數(shù)值模擬研究了冰載作用下地線和各導(dǎo)線斷裂誘發(fā)塔線體系的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過程,給出了失穩(wěn)失效模式以及電塔頂點(diǎn)的冰厚度-位移曲線。結(jié)論如下:

(1) 塔的失效是由于導(dǎo)線斷裂后的非平衡張力引起的,導(dǎo)線斷裂對(duì)體系穩(wěn)定性有重要影響。

(2) 因?yàn)閯?dòng)力學(xué)失穩(wěn)總是比靜力學(xué)失穩(wěn)更加容易,所以在塔線體系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。