采空区输电线铁塔承载力分析建模及性能评估

姜辉，谢佳益，张博，彭飞翔，郭磊

（1. 国网辽宁省电力有限公司 检修分公司，辽宁沈阳 110003；2. 陕西博天科技实业有限责任公司，陕西 西安 710062；3. 国网陕西省电力公司 经济技术研究院，陕西 西安 710065）

输电线路经过地震地质变形区、地下水位下降区、煤矿采空区等环境时，输电线路铁塔基础将发生沉降、倾斜、水平滑移等破坏[1-2]，进而使铁塔的根开和塔腿高差发生变化，塔体结构产生较大的附加应力，造成塔体局部破坏或整体发生倒塌，直接威胁铁塔安全及线路的稳定运行[3-4]。所以，有必要对这些因素引起的基础变形输电线路铁塔的承载力性能进行试验研究。

自1996年我国已开始研究煤矿采空区对电网输电线路的影响[5]，并针对煤矿采空区杆塔基础不均匀下沉导致的杆塔倾斜、位移和变形，展开了一些对采空区和铁塔地基处理方案的研究[1，3-4]。目前，采用有限元分析法对输电铁塔承载力性能研究成为热点，输电铁塔、导线、地线、光缆、地基和绝缘子的整体模型已初步建立[6]，包括组合型输电塔的极限承载力的研究[7]，沉陷区输电杆塔抵抗地表变形能力的研究[2]，螺栓滑移对非均匀沉降输电塔承载能力影响的研究等[8]；实际应用中，不仅需要分析变形铁塔在正常环境下的承载力性能，更需重点分析和检测外界环境变化，如风、覆冰等荷载下铁塔承载力的性能[9-13]。这些研究采用有限元模拟的方法，对铁塔的承载力性能进行研究，但是忽略了对铁塔基础变形后以及扶正过程中承载力性能的评估研究，所以本文重点针对基础变形后以及扶正过程中铁塔承载力性能进行研究[14-16]。

本文基于500 kV徐辽线53号塔建立铁塔承载力精细分析模型，53号塔受清水矿采空区沉降影响发生严重倾斜，倾斜度9‰，威胁线路安全运行，铁塔主材变形及倾斜情况如图1和图2所示。在不同风速、风向的风力荷载下，对该基础变形铁塔扶正过程中承载性能进行评估。

图1 53号塔主材变形图Fig. 1 Photo of the main member deformation of the 53#tower

图2 53号塔倾斜图Fig. 2 Photo of the inclination of the 53#tower

1 铁塔承载力分析建模

本文基于有限元ANSYS14.0软件环境进行建模[16]，并利用该模型进行输电线路铁塔承载力性能评估。下面将对基础沉降、大板基础倾斜及设置拉线这3种情况进行建模。

1.1 基础沉降分析建模

该模型铁塔主材采用ANSYS14.0 单元库中的BEAM188单元，斜材及辅助材选用LINK180单元。主材与斜材连接方式为铰接，铁塔有限元模型如图3所示。塔脚编号如图4所示。

图3 铁塔有限元模型Fig. 3 Finite element model of the steel tower

图4 铁塔塔脚编号Fig. 4 Endpoints number of the steel tower

通过对铁塔塔脚处的合理约束，模拟基础发生水平滑移、沉降等情况。不同工况下塔脚的约束条件如表1所示。表中UZ、UX、UY分别为铁塔垂直方向、横线路方向和顺线路方向的平动自由度。其中，基础水平滑移时，铁塔一侧塔脚固定，另外一侧塔脚水平移动；基础发生不不均匀沉降时，4个塔脚中一个不发生沉降，其他3个塔脚沉降量按相对沉降量考虑。

表1 塔脚约束条件Tab. 1 Constrained conditions of the endpoints

1.2 大板基础倾斜分析建模

若铁塔基础采用大板基础，在大板基础不发生破坏的情况下，基础沉降形式表现为横线路或顺线路倾斜的形式。在有限元模型中，沉降处释放UZ平动自由度和ROTY转动自由度（横线路倾斜）或ROTX转动自由度（顺线路倾斜），非沉降处释放ROTY转动自由度或ROTX转动自由度。大板基础倾斜分析模型如图5所示，计算时考虑大变形对铁塔受力的影响。

图5 大板基础倾斜分析模型Fig. 5 Analysis models of the big board foundation inclination

1.3 设置拉线铁塔分析建模

在塔身主材上设置4根2×GJ—100拉线，2×GJ—100拉线采用LINK10索单元模拟，设置拉线后铁塔有限元模型如图6所示。

图6 设置拉线铁塔有限元模型Fig. 6 Finite element model of the steel tower with bracing wires

2 扶正过程承载力性能评估方法设计

本次分析依据徐辽线53号塔扶正后基础不均匀沉降监测数据，对53号塔进行不同风速、风向的大风及覆冰作用下结构承载力分析，对铁塔的承载性能进行评估。此外，对53号塔设置拉线后的承载性能进行分析。最后，假定铁塔基础采用大板基础，对基础发生倾斜后的承载力进行分析，给出了基础倾斜量的限值。

53号塔塔型为SZ1塔，铁塔高36 m，实际挡距为（526+428）/2=477 m，最大设计风速为32 m/s（15 m基准高度），最大设计覆冰厚度为10 mm。导线型号为4×LGJ400/35，地线型号为GJ-50。首先对变形铁塔进行扶正，措施为：在基础下沉侧分别焊接上主材，将铁塔塔脚周围垫平夯实，焊接上钢板，连成1个整体，以保证短期内维持运行，对B、C、D塔腿进行加长，由于基础位置并未改变，B、C、D在安装时已强行施加了水平位移，水平位移计算值见表2。

表2 塔脚水平位移Tab. 2 Horizontal displacement of the endpoints m

依据《徐辽线53号塔测量记录》监测得到的塔脚沉降量，计算得到各塔脚的相对不均匀沉降量计算值见表3，共50组，数据按照监测时间编号。这50组数据体现了变形铁塔扶正过程中的50种扶正工况，基于这些数据建立扶正过程中铁塔的评估分析模型，就可以评估出扶正过程中铁塔的承载力性能。

大风、覆冰是输电线路常遇荷载，荷载参数因环境而异，不同荷载很可能会组合出现[17-18]，本文分析主要将行大风、覆冰荷载与基础变形进行荷载组合，共完成99个工况的计算分析，其中风荷载与基础沉降、大板基础倾斜及拉线设置可以组成3×4×4×2=96种荷载工况，覆冰可以组成3种，各种具体工况荷载说明见图7。

表3 塔脚相对沉降量Tab. 3 Relative settlement of the endpoints mm

图7 性能评估工况说明Fig. 7 Illustration of the performance analysis cases

由于500 kV徐辽线采用旧标准设计，铁塔设计时风速基准高度为20 m，涉及风速的96种工况中所指风速对应20 m基准高度。现行规程风速计算基准高度为10 m，两者风速转换及对应风力等级见表4。其转换关系式为v10=v20/1.1。

表4 风速转换及风力等级对应关系Tab. 4 Corresponding relation between the wind speed conversions and wind scales

3 基础沉降铁塔承载力分析

基础沉降与风荷载组合成4×4×2=32种铁塔承载力分析工况，与覆冰荷载组合成1种，共33种。本文仅给出以60°顺向大风为例的结果，分别在风速为32 m/s、20 m/s及10 m/s 3种工况下对基础发生初始滑移和不均匀沉降时的受力情况进行分析。提取主材轴力的杆件编号如图8所示。

图8 提取主材轴力的杆件编号Fig. 8 Number of the main member extracting the axial force

3.1 32 m/s风速

32 m/s风速作用下，主材应力比最大值均出现在第29种沉降情况，该沉降工况的绝对沉降量不是最大值，但各塔脚的相对沉降较为明显。第29种扶正工况对应的主材轴力及应力比见表5，铁塔轴力云图及位移云图见图9。发生第29种扶正工况对应的不均匀沉降时，铁塔主材应力已超出设计强度11.2%～39.6%，超载最大杆件为1040～1060。

3.2 20 m/s风速

20 m/s风速作用下，主材应力比最大值均出现在第29种扶正工况沉降情况。第29种扶正工况对应的主材轴力及应力比见表6，铁塔轴力云图及位移云图见图10。发生第29种扶正工况对应的不均匀沉降时，铁塔主材应力比最大值达到0.925。

表5 32 m/s风速主材轴力和应力比Tab. 5 Main member axial force and stress ratio with wind velocity 32 m/s

图9 32 m/s风速轴力及位移云图Fig. 9 Axial force and displacement cloud with wind velocity 32 m/s

3.3 10 m/s风速

10 m/s风速作用下，主材轴力最大值均出现在第29种扶正工况沉降情况。第29种扶正工况对应的主材轴力及应力比见表7，铁塔轴力云图及位移云图见图11。发生第29种扶正工况对应的不均匀沉降时，铁塔主材应力未超过设计强度。

表6 20 m/s风速主材轴力和应力比Tab. 6 Main member axial force and stress ratio with wind velocity 20 m/s

图10 20 m/s风速轴力及位移云图Fig. 10 Axial force and displacement cloud with wind velocity 20 m/s

表7 10 m/s风速主材轴力和应力比Tab. 7 Main member axial force and stress ratio with wind velocity 10 m/s

图11 10 m/s风速轴力及位移云图Fig. 11 Axial force and displacement cloud with wind velocity 10 m/s

4 大板基础倾斜铁塔承载力

4.1 横线路倾斜

横线路发生倾斜时，编号为2500、2502的塔脚发生沉降，沉降方向与风向一致。计算沉降位移从0～3 m变化时，铁塔杆件轴力的变化情况。由分析可知，图12所示的杆件轴力变化幅度较大。各杆件轴力随沉降量的变化如图13所示，铁塔杆件轴力达到杆件额定承受轴力的120%时，各杆件对应的临界沉降量计算结果见表8。假定杆件轴力达到杆件额定承受轴力的120%时，杆件发生破坏，杆件失效顺序依次为横隔面杆件→塔身主材→塔腿斜材，铁塔发生破坏的沉降量临界值为654 mm。

4.2 顺线路倾斜

图12 轴力变化较大塔材分布图Fig. 12 Distribution of members of the large axial force change

图13 横线路倾斜铁塔杆件轴力随沉降量变化Fig. 13 Change of the axial force VS settlement of members with transverse inclination

表8 横线路倾斜32 m/s风速临界沉降量计算结果Tab. 8 Calculation result of the critical settlement with transverse inclination with wind velocity 32 m/s

顺线路发生倾斜时，编号为2500、2501的塔脚发生沉降，沉降方向与风向一致。计算沉降位移从0～3 m变化时，铁塔杆件轴力的变化情况。各杆件轴力随沉降量的变化如图14所示，各杆件对应的临界沉降量计算结果见表9。杆件失效顺序依次为塔腿斜材→横隔面杆件→塔身主材，铁塔发生破坏的沉降量临界值为1 389 mm。

图14 顺线路倾斜铁塔杆件轴力随沉降量变化Fig. 14 Change of the axial force VS settlement of members with the along-line inclination

表9 顺线路倾斜32 m/s风速临界沉降量计算结果Tab.9 Calculation result of the critical settlement with the along-line inclination with wind velocity 32 m/s

5 设置拉线后铁塔承载力

5.1 设置拉线前后主材轴力对比

对于大多数沉降工况，设置拉线起到了降低主材轴力的效果。第49种扶正工况降低效果最为明显，主材（1000～1020，1020～1040，1040～1060，1060～2410，2410～2500） 轴力依次降低18%、23%、25%、31%和31%。但对于主材轴力最大的第29种扶正工况，设置拉线后主材轴力仅降低3%、4%、4%、5%和5%。第38种扶正工况，设置拉线后（1000～1020）主材轴力反而增加1%。由于4个塔脚的不均匀沉降量是随机的，固定的某种拉线设置方式并不能明显降低所有沉降工况下的主材轴力，有时甚至会取得相反的效果。

5.2 设置拉线后铁塔受力

以32 m/s风速为例，基础发生滑移和不均匀沉降时有多个沉降工况主材应力超过设计强度。其中，主材应力比最大值均出现在第29种扶正工况沉降情况，第29种扶正工况对应的主材轴力及应力比见表10，铁塔轴力云图及位移云图见图15。发生第29种扶正工况对应的不均匀沉降时，铁塔主材应力已超出设计强度8.2%～33.7%，超载最大杆件为1040～1060。与表5比较可知，设置拉线后基础沉降铁塔主材轴力略有减小，但主材应力仍然超过设计强度。各沉降工况拉线张力最大值见表11。

表10 32 m/s风速主材轴力和应力比Tab. 10 Main member axial force and stress ratio with wind velocity 32 m/s

6 结论

1）依据现场监测的变形铁塔扶正数据状况，与设计风速、风向、覆冰、设置拉线等荷载进行组合，对基础变形后及扶正过程中铁塔的承载力性能进行了分析评估。

2）当风速达到32 m/s时，基础沉降铁塔的第29种扶正工况主材应力均超限，超限最大达39.6%；当风速按常遇风速（20 m/s和10 m/s）荷载时，主材应力未超过设计限值。

3）设置拉线后基础沉降铁塔主材轴力略有减小，但主材应力仍然超过设计强度。发生第29种扶正工况对应的不均匀沉降时，铁塔主材应力已超出设计强度8.2%～33.7%，超载最大杆件为1040～1060。

表11 32 m/s风速拉线张力Tab. 11 Bracing wire tension with wind velocity 32 m/s

图15 32 m/s风速轴力及位移云图Fig. 15 Axial force and displacement cloud with wind velocity 32 m/s

4）若采用大板基础，在大板基础未发生破坏前，32 m/s风力作用下横线路倾斜时铁塔发生破坏的沉降量临界值为654 mm，顺线路倾斜时铁塔发生破坏的沉降量临界值为1 389 mm。

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