输电铁塔几何非线性影响的初步分析

徐湛清 魏 鹏 王学明 沈巍巍

（1.陕西地方电力集团公司商南县供电分公司，陕西 商洛726300；2.西北电力设计院，陕西 西安710065）

0 引言

随着输电线路电压等级的不断提高，铁塔的负荷和规模进一步增大，结构变形特别是水平位移引起的二阶效应［1］的影响增大，这也引起工程设计人员对输电铁塔结构的几何非线性影响的关注。导致铁塔几何非线性的原因主要有2种：

（1）荷载的作用；

（2）结构组成单元的位置变化。塔体在水平荷载作用下会产生较大位移，作用于铁塔上的导地线垂直荷载由于偏心，会使初始计算模型的几何相对位置发生改变，塔体因此产生的附加弯矩会使杆件内力增大。本文依据真型铁塔试验，利用有限元分析软件进行计算，对几何非线性对输电铁塔主要受力杆件的内力影响进行初步的分析研究。

1 分析模型

1.1 计算方法

本文通过3种计算软件，即TTA、TOWER［2］和 ANSYS 进 行 建模，分别计算出输电铁塔中主要杆件的内力。TTA程序用于线性空间桁架自立式铁塔结构分析设计，通过分析—选材—再分析—再选材的自动迭代循环过程进行优化计算。程序没有大位移、非线性功能，模型中杆件均为二力杆单元。美国TOWER程序用于不同类型输电结构的分析和设计，单元库中包含杆单元、梁单元以及索单元等，程序可以进行几何非线性分析，但因其自带梁单元的局限性，程序的非线性功能相对较弱。ANSYS为大型有限元结构分析软件，具有强大的单元库，可进行大变形、非线性（几何、材料）分析。

1.2 建模

本文以西北电力设计院750kV兰平乾JGU1铁塔为典型算例。JGU1为双回路750kV转角塔，本体高24m，接腿为18m，设计水平档距300m，垂直档距600m，设计覆冰10mm，设计最大风速30m／s。

具体计算时，TTA程序全部采用二力杆单元。TOWER采用梁、杆2种单元混合建模，主材采用梁单元，斜材以及辅材采用杆单元。ANSYS模型采用BEAM189单元、LINK8单元建模，主材以及交叉斜材采用梁单元，辅材采用杆单元。

边界约束条件为：约束4个塔脚的平动自由度（UX、UY、UZ），释放3个转动自由度（RotX、RotY、RotZ）。

TTA和TOWER程序中采用自重增大系数来考虑模型中节点板以及螺栓等的自重影响。而ANSYS程序中无法设置自重增大系数，本文采用增大模型质量的方法来解决这一问题。分析模型如图1所示。

图1 铁塔分析模型图

1.3 加载

分析工况选取正常运行、安装及事故断线等6种主要工况，具体如下：

工况1：断后侧右上、中导线。

工况2：断后侧左下、右下导线。

工况3：瞬挂右地线。

工况4：瞬挂前下右导线。

工况5：瞬挂前下左导线，右前挂好。

工况6：大风90°，最大垂直档距。

本文采用在模型节点上加荷载进行静力分析。TOWER和ANSYS软件计算时考虑几何非线性。

2 计算结果分析

2.1 变形

本文选取在上述6种工况作用下的3个方向（X、Y、Z）最大位移列表显示。从表1数值中可以看出，由于TTA程序全部采用二力杆单元，因此模型整体刚度相对较弱，位移最大；而TOWER软件采用梁杆混合体系建模，刚度相对TTA较大，因此塔头位移稍小；ANSYS软件采用梁杆混合体系建模，且模型中梁单元较多，模型整体刚度最大，因此受力产生的变形最小。将模型中由TTA计算出的位移与试验所测位移数据进行比较，Y方向（纵向）实测位移较计算值增大54%，这是由于程序计算值未考虑螺栓滑移等因素的影响。铁塔受力变形如图2所示，为便于区分，显示时比例进行了放大。

表1 最大位移对比

图2 输电铁塔变形图

2.2 杆件内力

本文根据实测应变提取杆件内力，主要关注的位置分别为：上横担主材、塔身主材、中横担下平面主材、下横担隔面下方倒K杆件、塔腿主材以及塔腿上方隔面横材。

TTA程序以及TOWER提取杆件轴力，ANSYS模型提取对应杆件轴力和弯矩，计算结果如表2所示。从表中数值可以得出，TOWER和ANSYS软件中主材等用梁单元划分，考虑了几何非线性的影响，P－Δ效应产生的附加弯矩引起应力增大，导致塔身主材内力增加。杆件应力计算结合《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》［3］和《钢结构设计规范》［4］进行。

表2 计算轴力结果对比

本文在塔身以及塔腿主材上分别提取一测点进行比较。塔身选取表2中第7行数据。该处TTA计算轴力为2565kN，而考虑了几何非线性之后，ANSYS分析结果为2767kN，轴力增大了7.88%。此塔身处实测轴力值为2799kN，相比TTA 与ANSYS计算值分别增大9.12%和1.16%。塔腿位置TTA轴力计算值为2972kN，ANSYS计算结果为3220kN，试验实测数值为3483kN，实测值比TTA、ANSYS计算值分别增大17%和8%。从上述数值对比可以得出，考虑了几何非线性之后计算结果与试验实测数值吻合得更好。

3 结论

本文对真型试验塔进行几何非线性分析，通过线性杆单元分析软件（TTA）、具有部分几何非线性分析功能的软件（TOWER）以及完全非线性分析软件（ANSYS）对同一个试验塔进行分析计算，整理出主要工况下铁塔主要杆件的位移和内力数值，并与试验场实测数据进行了对比分析。结果初步表明，随着输电铁塔负荷和规模的增大，几何非线性对结构受力影响显著，P－Δ效应产生弯矩引起的附加应力使得塔身主材的内力增大。但目前国内在常规线路铁塔设计中并未考虑几何非线性的影响，根据本文的初步分析结果，建议在具体工程中采用TTA软件进行计算时，将塔身主材（主要是瓶口以下）的裕度适当增大。另外，在后续工作中，我们将对负荷和规模更大的铁塔（百万及百万双回铁塔）继续进行类似的研究，深入探讨非线性对输电铁塔杆件内力的影响。

［1］陈祥和，田启华.输电杆塔设计［M］.中国三峡出版社，2000

［2］西北电力设计院.美国铁塔分析计算程序TOWER中文操作手册［K］，2005

［3］DL／T5154—2002 架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］

［4］GB50017—2003 钢结构设计规范［S］