特高壓酒杯塔組立過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

吳明春 丁浩然 許克克 楊平 李光澤 王爽 唐波 劉鈴

摘? 要：特高壓大跨越酒杯塔由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在其施工組立過程中安全風(fēng)險極大，需進(jìn)行鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算和校核。該文以某特高壓大跨越酒杯塔為例，針對塔頭組裝過程，選擇典型的鐵塔組立狀態(tài)，運用有限元方法，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核和計算，得到鐵塔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，結(jié)果表明，增設(shè)對拉拉線后，鐵塔組裝處于狀態(tài)一、狀態(tài)二、狀態(tài)三時，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。針對鐵塔組裝狀態(tài)三，為便于鐵塔橫擔(dān)中間連接部位的構(gòu)件安裝就位和緊固螺栓，需在兩曲臂之間增設(shè)對拉拉線，并將對拉拉線的拉力調(diào)整至16.3 kN，進(jìn)而將鐵塔橫擔(dān)中間連接位置的距離縮短為2 mm。該文的研究結(jié)論可為制定科學(xué)合理的鐵塔施工方案提供參考，保證特高壓輸電鐵塔施工安全高效地進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：酒杯塔；有限元；拉線；強(qiáng)度分析；特高壓

中圖分類號：X705? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0064-04

Abstract： Due to the special structure of the ultra-high voltage large span wine glass tower， there is a great safety risk during its construction and assembly process， and it is necessary to calculate and verify the strength of the tower structure. This paper takes a certain ultra-high voltage large span wine glass tower as an example， and focuses on the assembly process of the tower head. A typical iron tower assembly state is selected， and finite element method is used to verify and calculate its strength. The stress and displacement distribution law of the iron tower structure is obtained. The results show that after adding diagonal braces， the structural strength of the tower assembly in states one， two， and three meets the requirements. For the assembly status three of the iron tower， in order to facilitate the installation and fastening of the components at the middle connection position of the cross arm of the iron tower， it is necessary to add a pulling wire between the two curved arms， and adjust the pulling force of the pulling wire to 16.3 kN， thereby reducing the distance between the middle connection position of the cross arm of the iron tower to 2 mm. The research conclusions of this paper can provide a reference for the formulation of a scientific and reasonable tower construction plan and ensure that the construction of UHV transmission tower can be carried out safely and efficiently.

Keywords： wine glass tower; finite element; cable drawing; strength analysis; UHV

特高壓輸電鐵塔是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其塔身高度高、構(gòu)件重量和尺寸大，在鐵塔施工組立過程中安全風(fēng)險大，特別是酒杯塔，其塔頭寬，曲臂K節(jié)點處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱，因此針對特高壓鐵塔組立過程中的各個組立狀態(tài)和工況，需對鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核計算，進(jìn)而制定安全有效的施工技術(shù)方案和措施，保障鐵塔施工安全[1-3]。

在鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方面，通過建立鐵塔模型，運用有限元方法，對特高壓酒杯塔這類高聳結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，可以高效、準(zhǔn)確地實現(xiàn)鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、桿材強(qiáng)度的校核，降低分析成本，在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。竇漢嶺等[8]通過有限元軟件建立了轉(zhuǎn)角輸電塔線耦聯(lián)模型，通過模態(tài)分析研究了模型的動力特性，采用諧波合成法在MATLAB軟件中模擬出風(fēng)荷載，最后通過Newmark法對轉(zhuǎn)角輸電塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行時程分析；馮炳等[9]通過有限元軟件建立某酒杯塔模型，對其塔頭結(jié)構(gòu)在均勻覆冰、不均勻覆冰和脫冰動力荷載等作用下的覆冰破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，得出酒杯塔塔頭在覆冰各工況下的結(jié)構(gòu)薄弱點主要集中在地線頂架與K節(jié)點周邊桿件的結(jié)論；徐明鳴[10]通過有限元軟件建立某220 kV槍型酒杯直線塔，分別在絕緣配置、塔頭間隙、脫冰跳躍和結(jié)構(gòu)受力等方面進(jìn)行了設(shè)計與分析，并對比了酒杯塔、貓頭塔和槍型塔的塔頭尺寸及造價，得出槍型塔經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的結(jié)論。

從目前的研究來看，大多針對在運行的輸電鐵塔建立力學(xué)分析模型，計算和分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而對施工組立過程中的輸電鐵塔進(jìn)行強(qiáng)度分析的較少。本文以某特高壓工程大跨越酒杯塔為例，針對塔頭組裝過程，選擇典型的鐵塔組立狀態(tài)，運用有限元方法，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核和計算，分析鐵塔的穩(wěn)定性，獲得塔頭安裝就位的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，為制定科學(xué)合理的鐵塔施工方案提供參考，保證特高壓輸電鐵塔施工安全、高效地進(jìn)行。

1? 特高壓酒杯塔力學(xué)分析模型構(gòu)建

輸電鐵塔可以看成是若干桿和梁相互連接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，其建模過程是一個較為復(fù)雜的過程，涉及到建模單位制的統(tǒng)一、建模單元的選取、角鋼的朝向等問題。為提高建模的效率和準(zhǔn)確性，本文以某特高壓工程大跨越酒杯塔為例，根據(jù)其實際結(jié)構(gòu)尺寸，采用模塊化建模的思想，將整個輸電鐵塔結(jié)構(gòu)分為若干小段，利用ANSYS有限元分析軟件的APDL程序化設(shè)計語言進(jìn)行建模，再利用節(jié)點耦合方式進(jìn)行整個鐵塔結(jié)構(gòu)的組裝，進(jìn)而完成鐵塔的建模。建立的酒杯塔有限元模型如圖1所示。

2? 典型鐵塔施工組立狀態(tài)和強(qiáng)度分析工況

在鐵塔組立過程中，當(dāng)鐵塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)未安裝完成時，鐵塔的上下曲臂部位由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，容易因強(qiáng)度不足而產(chǎn)生失穩(wěn)等安全風(fēng)險，需對其進(jìn)行強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及校核。選擇鐵塔塔頭組裝過程中的3種典型狀態(tài)，分別建立上述3種組立狀態(tài)的鐵塔模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析模型，在此基礎(chǔ)上，對鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計算分析。各狀態(tài)分別如圖2—圖4所示，其中圖2為塔窗內(nèi)的橫擔(dān)未開始組裝的狀態(tài)，圖3為塔窗內(nèi)的橫擔(dān)部分組裝的狀態(tài)。圖4中塔窗內(nèi)的橫擔(dān)完全組裝，但橫擔(dān)中間連接點未用螺栓進(jìn)行連接?？紤]到酒杯塔塔頭未組裝完成時有發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險，因此針對圖2和圖3對應(yīng)的鐵塔組立狀態(tài)，在塔頭兩側(cè)曲臂之間設(shè)置對拉拉線。

3? 典型施工組立工況下鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在本文建立的3種不同組立狀態(tài)的鐵塔模型上施加重力荷載，約束塔腿底端4個關(guān)鍵點，運用有限元方法，對鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算和分析。3種鐵塔組立狀態(tài)時，鐵塔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的變形、位移和應(yīng)力，狀態(tài)一至狀態(tài)三時，鐵塔的位移分別如圖5—圖7所示。狀態(tài)三時鐵塔塔頭在垂直于線路方向的位移和米賽斯應(yīng)力分別如圖8—圖10所示。

由圖5—圖7可知，在重力荷載作用下，鐵塔組裝處于狀態(tài)一、狀態(tài)二、狀態(tài)三時，鐵塔的最大總位移發(fā)生在塔頭兩側(cè)，分別為217.93、215.32、324.04 mm；垂直線路方向的位移值分別為62、60.6、148.46 mm，狀態(tài)三時鐵塔塔頭在垂直于線路方向的位移達(dá)到148.46 mm，其分布情況如圖8和圖9所示。狀態(tài)一、狀態(tài)二、狀態(tài)三對應(yīng)的鐵塔最大米賽斯應(yīng)力值分別為185.65 、185.65、185.31 MPa，均小于鐵塔材料的許用強(qiáng)度值345 MPa，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性滿足要求。圖2和圖3對應(yīng)的鐵塔組立狀態(tài)，在重力荷載作用下，塔頭兩側(cè)曲臂之間的對拉拉線的拉力分別為40.7 kN和39.5 kN。

針對鐵塔組立狀態(tài)三，由圖8和圖9可知，鐵塔橫擔(dān)中間處連接螺栓尚未安裝，塔頭垂直于線路方向的最大位移達(dá)到148.46 mm，左右兩端上曲臂結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)由中心向兩端外傾覆的趨勢，此時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低，存在一定的安全隱患；同時由圖9可知，在鐵塔橫擔(dān)中間連接處，兩側(cè)構(gòu)件相距較遠(yuǎn)（約82 mm），不利于橫擔(dān)中間連接部位構(gòu)件及其螺栓的就位和安裝。因此也需在塔窗頂端的曲臂兩側(cè)增設(shè)2根對拉拉線，縮小橫擔(dān)中間連接處之間的位移和空隙，便于橫擔(dān)中間部位的連接就位和螺栓緊固，同時提高鐵塔塔頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本文通過計算得知應(yīng)施加到拉線的拉力為16.3 kN。增設(shè)2根對拉拉線后，仍考慮重力荷載對鐵塔結(jié)構(gòu)的作用，其位移、應(yīng)力情況如圖11—圖14所示。

對比圖7和圖11可知，增設(shè)對拉拉線后，鐵塔組立至狀態(tài)三時，最大總位移值由324.04 mm減少為212.17 mm；對比圖8和圖12可知，垂直線路方向的最大位移值由148.46 mm減少為60 mm；根據(jù)圖13可知，增設(shè)對拉拉線后，鐵塔橫擔(dān)中間連接位置的距離由幾十毫米（約82 mm）縮短為幾毫米（約2 mm），這對后續(xù)鐵塔橫擔(dān)中間連接處的構(gòu)件的安裝就位和緊固螺栓十分有利。因此，在實際鐵塔組立施工安裝至狀態(tài)三時，可將對拉拉線的拉力調(diào)整至16.3 kN。由圖14可知，增設(shè)對拉拉線后，狀態(tài)三的最大應(yīng)力值為185.31 MPa，小于鐵塔材料的許用強(qiáng)度值345 MPa，此時鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4? 結(jié)論

本文以某特高壓工程大跨越酒杯塔為例，針對塔頭組裝過程，選擇典型的鐵塔組立狀態(tài)，運用有限元方法，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核和計算，結(jié)果表明，鐵塔組裝處于狀態(tài)一、狀態(tài)二、狀態(tài)三時，其應(yīng)力均小于鐵塔材料的許用強(qiáng)度值345 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。為便于鐵塔橫擔(dān)中間連接部位的構(gòu)件安裝就位和緊固螺栓，需在兩曲臂之間增設(shè)對拉拉線，并將對拉拉線的拉力調(diào)整至16.3 kN，進(jìn)而將鐵塔橫擔(dān)中間連接位置的距離由82 mm縮短為2 mm。本文的研究結(jié)論可為制定科學(xué)合理的鐵塔施工方案提供參考，保證特高壓輸電鐵塔施工安全高效地進(jìn)行。

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