拉线门型塔中大风工况下拉线预应力变化影响结果的研究

王德贺，杨晓军，李小磊

(1.东北电力大学，吉林 吉林132012;2.泸州电业局，四川 泸州646000)

0 引言

在拉线式输电塔结构中，拉线可以看作柔索结构，塔身是由各种杆件及结点组成的钢结构，只有对拉线施加了适当的预应力，才具有足够的拉线刚度拉紧铁塔，避免拉线塔在外荷载下失稳，造成输电线路运行事故。因此，为了分析拉线初应力对铁塔结构内力的影响，本文使用大型结构分析软件ANSYS建立拉线门型塔结构索、梁、桁架组合单元的非线性有限元模型，通过理论数据对比分析，找出拉线初应力分布大小对此类型铁塔结构受力影响的规律，为拉线式输电塔施工提供了设计依据。

1 拉线门型塔有限元模型

在拉线式输电塔工程施工中，拉线初应力取值不应过大或过小。若初应力过大，则输电铁塔杆件结构的节点处位移变形较小，节点刚度较大，但铁塔主材轴向力明显增加，杆件会受压失稳;若初应力过小，则输电铁塔结构杆件的节点位移变形较大，节点刚度较小，容易晃动，也会失稳。因此，拉线初应力的取值大小会影响到输电塔在外荷载作用下的整体稳定性、结构刚度和用材经济性。

1.1 有限元模型的建立

假设所用铁塔材料为各向同性的，符合V.Mises初始屈服条件和相关流动法则;结构运动为大位移小变形;利用CAD绘图技术建立铁塔的空间模型，利用分析软件ANSYS建立的有限元模型中不计构件加工、安装误差及材料初始缺陷，节点为理想的空间铰接或刚节点;主材和横隔采用考虑切应变形而且不考虑截面翘曲的Beam188梁单元，辅材采用仅受轴向力的Link8杆单元，拉线采用仅受拉力的Link10索单元。建立的有限元模型如图1所示。

图1 ANSYS有限元模型

1.2 拉线预应力的施加

一般索结构预应力的施加在ANSYS软件中有3种方法，即等效降温法、等效力法、等效应变法。等效降温法就是通过设置不同方向异性的温度应变系数，利用应力－应变关系式计算，在设定的温差下获得与预应力产生的应变等效的效果;等效力法就是用与预应力等效的均布力或集中力施加到相对应的结构节点上;等效应变法就是通过加载位移约束，使结构中产生的应变与预应力加载方式产生的应变等效。本文采用等效应变方式施加拉线的预应力。利用软件中的反复迭代方式，不断调整拉线单元的应力初值，使得实际工况的拉线初始应力与有限元模型中单元的应力差值满足精度要求，进而实现精确的施加拉线预应力。

1.3 大风工况下拉线门型塔外荷载的计算

拉线塔不同于一般自立式铁塔的主要特性是拉线塔纵横向荷载作用下的力学性能不同，在大风工况下铁塔所受荷载主要是重力荷载和风荷载，随着攻角的改变，风荷载的大小和方向也会改变。因此，为了分析拉线门型塔在线性攻角下的力学性能，选取0°、45°、90°等具有代表意义的大风攻角工况。风向示意图如图2所示。铁塔自身的风荷载，按照文献［1－2］对风荷载的计算规定，采用分段的方式计算。塔身风荷载按照不同高度不同风振系数取值分为4段，3种攻角的风荷载大小按分配系数分别分配到水平、垂直坐标轴上。

经分析，在0°风攻角工况、拉线门型塔在风速为33 m/s风速时，出现杆件破坏情况;在45°风攻角工况、拉线门型塔在31 m/s风速时，出现杆件破坏情况;在90°风攻角工况、风速为28.6 m/s时，出现迎风面主柱离开基础的情况，也就是说此种工况导致铁塔破坏。因此，90°风攻角大风工况为此类型铁塔的最不利攻角。

图2 风向示意图

1.4 非线性有限元方程的建立与求解

拉线式输电塔在初始预应力状态下受预应力和重力的作用，达到平衡状态。此过程在整体坐标系下，根据UL描述法，从t时刻到t+Δt时刻的荷载步中，结构的非线性增量平衡方程为

式中:t［K］为 t时刻结构的总的切线刚度矩阵;d{u}为从 t到 t+Δt时刻结构的节点位移增量;t+Δt{R}为在t+Δt时刻的结构节点荷载力向量;t{F}t为时刻单元应力的等效节点荷载力向量。

［3］分析，非线性方程组采用Newton－Raphson迭代求解更能体现UL法的优点，故采用N－R法求解非线性方程组。利用ANSYS软件中的应力刚化效应和大变形效应考虑有限元计算过程中变形对结构刚度的影响。

2 工程实例分析

以东－长－哈输电线路中使用的87(LM21)型拉线门型塔为例，分析拉线预应力对铁塔结构的影响。工程条件如下:电压等级为500 kV，水平、垂直档距分别为480 m、650 m，导线、地线规格分别为LGJ－400/50、LGJ－95/53，极限拉线应力为1 400 MPa。选取最不利工况90°大风攻角作为结构的外载荷，拉线初应力依次选取50 MPa、100 MPa、120 MPa、150 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa，风速选为此种工况破坏时风速28.6m/s，对拉线门型塔进行支座反力、节点位移和杆件轴向应力等方面的数值计算，并作比较分析。图3为拉线编号图，图4为杆件与节点编号图。

图3 拉线编号图

图4 杆件与节点编号图

2.1 拉线初应力对拉线门型塔初始态的影响

铁塔的拉线初应力与初始态下拉线门型塔的关系具有正相关性，即拉线门型塔初始状态下的支座反力、节点位移、杆件轴向应力随着拉线初应力的增加而显著增加，而且具有线性趋势。

2.2 拉线初应力对拉线门型塔荷载态的影响

铁塔的拉线初应力与荷载态下拉线门型塔支座反力、节点位移、杆件轴向应力关系具有非相关性。

当初应力小于250 MPa时，拉线初应力对铁塔荷载态下的支座反力基本没有多大影响，拉线门型塔在荷载态下的节点位移随着拉线初应力的增加明显减小，拉线门型塔的杆件轴向应力随着拉线初应力的增加有所减小，但是变化不大。

当拉线初应力超过250 MPa时，铁塔荷载状态下的支座反力随着拉线初应力的增加而显著增加，对拉线门型塔荷载状态下的节点位移随拉线初应力的增加影响不大，拉线门型塔的杆件轴向应力随着拉线初应力的增加而显著增加。

3 结论

拉线门型塔在大风工况下拉线预应力变化分析结果表明，输电铁塔拉线初应力的选取对拉线门型塔结构的受力性能具有一定的影响。拉线初应力对拉线门型塔初始态的支座反力、节点位移和杆件轴力的影响基本呈线性关系，但是拉线初应力对拉线门型塔荷载态的受力性能具有明显的非线性关系。因此，对于具有拉线式门型结构的输电塔，考虑到有预应力拉线铁塔的受力特性，应综合考虑施工的外部受荷条件，选取合适的拉线初应力，避免输电铁塔受力不均，失稳。

参考文献:

［1］刘树棠.输电杆塔结构及其技术设计［M］.北京:中国水利水电出版社，2005:24－39.

［2］中华人民共和国国家经济贸易委员会，DL/T 5154－2002.架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2002.

［3］刘纯，姜勇，陈红冬，等.复沙500 kV输电线路Ⅱ回拉线门型塔屈曲分析［J］.中国电力，2007，40(6):45 －47.