500kV输电线路窄基钢管塔有限元分析

翁兰溪，赵金飞，池金明，李宏进

(福建省电力勘测设计院 福建福州 350003)

引 言

图1 窄基塔现场照片图

图2 窄基塔有限元模型图

本文以石狮鸿山电厂 ～晋江500kVΙ、Ⅱ回线路工程中设计应用的一种500kV双回路窄基钢管塔SZ2为研究对象(见图1)。与常规塔相比，窄基塔根开受限制，塔身主材计算长度、长细比较小，不满足规范的铰接体系长径比规定值。通过建立有限元计算模型，研究结构的振型特征，分析二阶效应、次弯矩对窄基塔结构的影响。

图3 窄基塔单线图

1 振型分析与塔身扭转

窄基塔SZ2的铁塔高度与根开比值为10～15，超过常规铁塔的4～6，其截面能够提供的扭转刚度比常规铁塔小，其扭转效应比常规铁塔明显。其结构布置除了满足普通铁塔的受力要求，必须注意其塔身扭转效应。

图4 一～三阶阵型图

采用Midas结构分析软件对窄基塔 SZ2(呼高54m，全高80.8m)进行数值建模和动力特性分析。杆塔前六阶的自振周期如(表1)所示，有限元模型见(图2)，杆塔单线图见(图3)，振型图如(图4)所示。

表1 窄基塔SZ2自振周期及振型表

通过(图4)一～三阶阵型可以看出:

本工程杆塔的整体前三振型分别为X向的弯曲、Y向的弯曲和绕Z向的扭转，与多数输电铁塔的计算结果相类似。其中Y向一阶与X向一阶的振型频率非常接近，相差0.6%，说明该杆塔结构的Y向及 X向刚度相近。扭转振型出现在Y向与X向一阶振型之后，一阶扭转振型与横向一阶振型频率相差约为57.1%，说明杆塔不易发生扭转变形。随后出现的是X向与Y向二阶振型及局部振动。

通过自振特性的数值分析结果可以看出，该杆塔结构体系与结构布置合理，动力特性优良。

2 杆塔次弯矩分析

《架空输电线路钢管塔设计技术规定》[1]7.3.4条“当钢管塔主材的长径比不小于12、斜材的长径比不小于24时，可按照空间桁架铰接体系进行结构内力分析。否则，应考虑节点刚性引起的钢管次弯矩的不利影响”。《钢结构设计规范》[2]也有相同的规定。

采用 Midas有限元软件建立窄基塔 SZ2模型。窄基钢管塔的主材采用梁单元，其它受力较小的斜材和辅助材等采用杆单元模拟。以60°大风工况为例，利用有限元分析结果，推算出各主材端部次弯矩应力及与构件承载力的影响见(表2)。表中对应的主材段数见(图3)。

表2 杆塔次弯矩计算分析

通过(表2)计算分析结果可知:与杆单元轴力相比较，梁单元构件的轴力减少约1～3%;梁单元的杆端弯矩对主材应力影响不可忽略，由于该塔没有设计变坡，与其他塔的次应力分布[3-4]有所区别。该塔塔腿处应力增加约10%，下横担与塔身连接段主材应力增加约7%。其余各段主材:长细比为15～16时，主材应力增加的比例约7～10%;主材长细比越大，主材应力增加越小，长细比27～30时，主材应力增加的比例约3～5%。

3 P－△效应

窄基塔破坏类型属于极值型失稳，结构在设计荷载作用下发生整体弯曲变形。由于窄基塔的塔高与根开比值比常规塔更大，受二阶效应的影响也比常规塔要大。以下分析窄基塔SZ2杆塔二阶效应影响对塔身整体变形的影响以及对塔身构件应力影响。位移比较见(图5)，杆塔部分构件内力比较见(表3)。通过分析可以看出，窄基塔SZ2在设计荷载范围内，二阶效应对杆塔变形影响小可以忽略，二阶效应对塔身主材内力的影响小于1%。

表3 杆塔P－Δ效应计算分析表

图5 计算位移值对比图

4 结论

本文以500kV双回路窄基钢管塔SZ2为研究对象，建立有限元计算模型进行分析，结论如下:

1)窄基钢管塔SZ2整体前三阶振型分别为X向的弯曲、Y向的弯曲和绕Z向的扭转，自振特性的数值分析结果看出，该杆塔结构体系与结构布置合理，不易发生扭转变形。

2)与杆单元相比较，梁单元构件的轴力减少约1～3%;

3)与杆单元相比较，塔腿处主材应力增加约10%，下横担与塔身连接段主材应力增加约7%。主材长细比越大，主材次应力影响越小。建议设计中对小长细比的主材进行次应力验算。

4)在设计荷载范围内，窄基塔SZ2杆塔二阶效应影响对塔身整体变形的影响很小，对塔身主材内力的影响小于1%。

[1]DL/T 5254-2010，架空输电线路钢管塔设计技术规定[S].

[2]GB 50017-2003 ，钢结构设计规范[S].

[3]李茂华，杨靖波，李正良等.1000kV双回路钢管塔次应力的影响因素[J].电网技术，2010，34(2):20-23.

[4]崔磊，特高压输电钢管塔次应力研究[J].广东电力，2013，26(1):50-52.