22ZK5直线输电铁塔仿真分析

刘文婧

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

架空输电线的覆冰灾害是一个国际上普遍关心的问题。随着特高压线路的建设，大跨度输电线路不断增加，电线覆冰后的舞动和脱冰跳跃易酿成很大危害，轻则相间闪络、损坏地线和导线、金具及部件，重则线路跳闸停电、断线倒塔等，从而造成重大经济损失。为了保证特高压电网的安全可靠运行，对输电线的防雪灾、冰灾提出了更高的要求，因此有必要对输电线覆冰作用下的特性进行深入的研究。

2 铁塔有限元计算模型

2.1 有限元模型建立

在对铁塔进行力学有限元分析时，关键是生成力学计算模型。考虑到铁塔本身的特点，通常是由角钢组成，铁塔的主材具备梁的特点，除了能承受轴向力之外，还可以承受剪切力、弯矩等，并且在各角钢的联接处，因采用联接板联接，每段角钢上也大多数用多个螺栓联接，这也增加了角钢的约束，增强了其刚度，但是如果将模型建立为空间刚架模型，铁塔将会导致全刚化，刚度过强，也不符合铁塔本身的特点。所以，使用桁梁混合模型。

桁梁混合模型是将铁塔的主材和横隔材视为梁单元，斜材视为杆单元，更接近于实际的铁塔结构，而且还能很方便地解决采用桁架模型不易解决的问题。本文选用的梁单元和杆单元分别为beam188和link8。Bema188是三维线性(2节点)或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEY0PT(1)的值。LINK8单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动［5］。根据所给定的22ZK5铁塔工程图，铁塔的部分塔材采用Q235和Q345钢。

2.2 铁塔静力学分析荷载计算

选取导线型号为 LGJ—300/40，绝缘子型号为LXP－70、13片，绝缘子串的重力G为730.88N，地线金具重120N，选择设计覆冰厚度为20mm，则根据全国典型气象条件选择气象区Ⅸ，水平档距400m，垂直档距350m。

根据输电杆塔及基础设计计算得出不同情况下的荷载，列成表1。

表1 不同覆冰厚度荷载

3 铁塔模型静力分析

Ansys中的静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响，也不考虑载荷随时间的变化。但是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力和离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷(例如，通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载荷地震载荷)。静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。

本文是对铁塔的覆冰情况进行分析，并每次增加覆冰厚度，对不同覆冰厚度情况下的静力分析。

先对铁塔的塔腿进行约束，选中四个塔腿的最下方的节点，并将其的所有位移约束(包括X、Y、Z和其自由度)都设为0，并对铁塔施加载荷并分析。

Ansys分析不同情况下的位移应力列成表2。

Ansys分析铁塔变形位移图和应力图，如图1所示。

表2 不同情况下的位移及应力表

Ansys分析结果说明:

直线型自立式铁塔的最大位移不能超过3h/1000=3×48900/1000=146.7(mm)。根据材料的力学性能知，Q235的屈服极限为216～235MPa，Q345的屈服极限为274～343 MPa。则所以的计算结果都在允许的范围之内，都符合要求。

(1)静力分析得到位移和应力结果都在标准要求范围之内。当铁塔覆冰时，由表2看出，增大覆冰厚度，铁塔的位移和应力都会相应的增大;

(2)最大综合位移情况。最大位移都发生在塔头挂地线处，下面挂导线附近也相对较大，铁塔整体综合位移分布是从塔头到塔腿位移值渐小，塔腿最小;

(3)最大综合应力情况。最大应力都发生在塔腿主材上，整体的综合应力分布是挂线点和塔腿主材较大，总的来看塔腿部分比塔头部分应力要大。

图1 铁塔变形位移图和应力图

4 铁塔屈曲分析

屈曲分析是一种用于确定结构的屈曲载荷(使结构开始变得不稳定的临界载荷)和屈曲模态(结构屈曲响应的特征形态)的技术。ANSYS提供两种分析结构屈曲的技术:非线性屈曲分析和特征值屈曲分析。特征值屈曲分析是用于预测理想弹性结构的理论屈曲强度，本文便是利用这种方法对铁塔在两种工况下(最大设计风速、无冰、未断线和覆冰、有相应风速、未断线)的屈曲分析。

特征值方法:它是经典的欧拉屈曲分析，它计算结构在给定载荷和约束下的各个特征值。特征值问题可以用公式进行表述:(［K］+λi［S］){ψi}=［0］，式中［K］为刚度矩阵;［S］为应力刚度矩阵;λi为第 i个特征值;{ψi}为第i个屈曲特征矢量。但是，在现实应用中，结构的缺陷和非线性特征很难得到特征值，特征值方法往往高估了现实结构的屈曲强度。但是特征值屈曲分析可以预测出屈曲载荷的上限［4］。

对于铁塔结构来说，它是由许多单元组成为的一个整体，当一个单元发生失稳变形后，它必然牵动和它连接的其他单元。对于这种超静定结构，当一个单元发生失稳变形后，它必然会引起整个结构的内力重新分布。因此铁塔稳定性分析不能忽略，且也不能单个杆件孤立去分析其稳定性，而应当考虑其它杆件的影响，所以就得从整个铁塔的结构去分析它的稳定性。

在屈曲分析时，分析局部稳定性，不考虑重力。先对挂导线处施加载荷，进行分析;再对挂地线处施加载荷，进行分析。

用载荷放大倍数乘以铁塔模型施加的10N载荷，就表示欧拉临界载荷，得到临界载荷列为表3、表4所示。

表3 猫头铁塔挂导线处屈曲分析临界载荷(单位:N)

(1)后处理显示铁塔在覆冰情况下导线处特征值屈曲分析的第一阶屈曲模态图，如图2所示。

(2)挂地线处屈曲分析载荷放大倍数列为表5。

图2 猫头铁塔导线处屈曲分析图(单位:mm)

用载荷放大倍数乘以铁塔模型施加的10N载荷，就表示欧拉临界载荷，得到临界载荷列为表4。

表4 猫头铁塔挂地线处屈曲分析临界载荷(单位:N)

后处理显示铁塔在覆冰情况下地线处特征值屈曲分析的第一阶屈曲模态图，如图3所示。

图3 猫头铁塔地线处屈曲分析图(单位:mm)

结果分析:

从屈曲分析图看出，铁塔覆冰情况下的失稳点发生在塔头下端的下曲臂的杆单元上，在这根杆附近的梁单元也变形较大，挂地线的屈曲临界载荷比挂导线的临界载荷要小。另外，在屈曲分析的变形图中发现，部分远离屈曲点的节点的变形比屈曲点的变形要小得多，只有发生屈曲的节点和附近节点的变形是相当大的，其他部分节点变形相对来说小很多。对铁塔塔头的材料需进行增强设计，这种情况在对铁塔进行分析设计必须注意。

覆冰荷载为严重影响输电线铁塔结构稳定性的主要破坏因素之一，严重覆冰会造成输电线断裂，杆塔倒塌，金具损坏［6］。为了避免覆冰导致铁塔失稳带来不必要的损失，使输电线路更加安全，在铁塔的设计过程中，应当充分考虑到在覆冰过大的荷载工况下铁塔结构强度的影响，使铁塔有一个充足的强度储备，提高铁塔的设计强度标准，适当提高输变电线路的整体投资，以保证电网能抵御恶劣的气候，减低倒塔所造成的严重危害和经济损失。

5 结论

(1)对模型进行了静态分析，得出在4种覆冰厚度，随着覆冰厚度增大，铁塔的位移，应力都相应的增大，最大综合应力值、最大综合位移值及相应的发生点和整体分布情况，发现最大应力发生在塔腿主材上，整体的综合应力分布式挂线点和塔腿主材较大，总的来看塔腿部分比塔头部分应力要大。而最大位移发生在塔头的挂线处，下面挂导线附近也相对较大，铁塔整体综合位移分布是从塔头到塔腿位移值渐小，塔腿最小;

(2)对铁塔的桁梁模型进行特征值屈曲分析，得到模型的临界载荷和综合位移分布情况。铁塔覆冰情况下的失稳点发生在塔头下端的下曲臂的杆单元上，屈曲点的位移较大，有部分远离屈曲点的节点的位移相对屈曲点的位移较小，对铁塔塔头的材料需进行增强设计，这种情况在对铁塔进行分析设计必须注意。

建议:为了避免覆冰导致铁塔失稳带来不必要的损失，使输电线路更加安全，在铁塔的设计过程中，应当充分考虑到在覆冰过大的荷载工况下铁塔结构强度的影响，使铁塔有一个充足的强度储备，提高塔的设计强度标准，适当提高输变电线路的整体投资，以保证电网能抵御恶劣的气候，减低倒塔所造成的严重危害和经济损失。

［1］ 陈祥和.输电杆塔及基础设计［J］.中国电力出版社，2008:5－25.

［2］ 孟遂民，孔伟.架空输电线路设计［J］.中国电力出版社，2007:45－55，245 －246.

［3］ 陆蕊.大林线220KV架空送电线路铁塔有限元分析研究［D］.广西:广西大学，2006.

［4］ 段进.ANSYS10.0结构分析从入门到精通［J］.北京科海电子出版社，2006:336 －337.

［5］ 曾程.大跨越输电塔结构极限承载力分析［D］.同济大学，32.

［6］ 李永航.输电线路覆冰过大对输电铁塔的强度影响［J］.广东建材，2009:1－2.