强台风频发区输电塔破坏特征研究

李小芳　杨伟军　谢文平　夏栋舟　钟万里

摘要：文章通过对“天兔”“威尔逊”等强台风作用下的输电塔倒塔等工程实例进行分析、归纳与总结，并通过有限元分析软件ANSYS对ZM4输电塔进行了静力分析、模态分析以及稳定性分析，研究了沿海地区输电塔在强台风作用下的破坏特征，并分析了引起输电塔破坏的致灾因子，最后提出了预防输电塔倒塌的相应措施与方法。

关键词：输电塔；强台风频发区；破坏特征；倒塔事故；静力分析；模态分析 文献标识码：A

中图分类号：TM75 文章编号：1009-2374（2016）12-0028-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.013

1 概述

输电塔线体系通常由杆塔结构与长跨距、大负荷、高柔度的导线构成，具有轻质、高柔、阻尼小等特性。输电塔线体系的高柔特性、导地线的几何非线性以及输电塔与输电线之间、输电塔与基础之间的耦合作用等使得输电塔结构在强台风作用下产生较为剧烈的震荡，甚至导致杆件产生残余变形甚至断裂，从而引发整个结构的倒塌。引起电力系统的自然灾害很多，其中风灾是最为严重的一种，历年来强风所导致的电力系统事故层出不穷。输电塔的倒塌会造成大面积大范围的停电事故，这不仅给人民的生产生活造成了严重影响，同时也给国民经济发展带来了巨大损失。因此，研究强台风荷载作用下输电塔倒塌的规律十分必要，这对分析杆塔倒塌事故原因，对杆塔的加固改造都具有非常重要的意义。本文结合广东电网“天兔”“威尔逊”等强台风作用下的输电塔倒塌现场的分析与调研，研究了沿海强台风频发地区输电塔的整体倒塌特点、规律、致灾原因以及输电塔抗倒塌的相关建议。

2 强台风对输电塔线体系的影响

台风的中心持续最大风速为12～13级（32.7m/s～41.4m/s），而强台风的中心持续最大风速为14～15级（41.5m/～50.9m/s）。

强台风对输电塔线体系的影响主要包括两个方面：一方面是来自于风力破坏。风力破坏主要包括：面向海口处或者台风登陆前进方向的高山风口处的杆塔，因风速过大的强台风袭击，发生倒杆或折弯现象，进而引起线路跳闸；受台风影响，变电站内主变压器引下线引起风偏放电，进而造成主变压器的跳闸。另一方面是来自于台风登陆后的强降雨、洪水及泥石流等的破坏。强降雨不断对输电线路杆塔基础进行冲刷，极易引起杆塔倾斜甚至倒塔，同时洪水、泥石流等对变电站、配电室特别是地下开闭也会产生较大影响，例如二次设备的进水、继电保护装置的误动、拒动等，甚至会造成整个变电站不能正常运行。

3 输电塔倒塌特点研究

根据其所用型材的差异，输电塔分为角钢输电塔和钢管输电塔。采用不同材质作为构件，其抗风能力各不相同，强台风荷载作用下破坏特征及致灾原因也不尽相同。本文主要针对强台风频发区角钢输电塔的破坏特征进行研究。

角钢输电塔的主要构件为角钢。角钢的优点是：连接方便；制造焊接量小，易于钻孔，而且角钢材料单价相对较低。其缺点是：体型较差，迎风面较大，属于一种对风敏感的结构系统，其回转半径存在各向异性的特点，沿弱轴方向易发生压杆失稳现象。

3.1 角钢输电塔倒塌现场调研

近年来，因强台风导致角钢输电塔的破坏时有发生。2012年7月受台风“韦森特”影响，江门地区输电塔倒塌现象严重。图1中为江门线路倒塔照片。从破坏部位来看，其主要在输电塔塔中下部发生破坏。

2013年强台风“天兔”登陆广东。“天兔”造成220kV线路铁塔倒塌2基、110kV线路铁塔倒塌4基。图2所示的是28#铁塔塔身中部扭曲破坏。

2014年7月，强台风“威尔逊”吹袭徐闻地区。2014年7月19日，现场巡检发现距220kV闻涛站北侧约6km的#136～#150耐张段发生倒塔事故，经现场核实，整个耐张段中除#136、#150首尾2基耐张塔外，其余13基直线悬垂型铁塔均发生倒塔。经现场实地核实，事故段受损铁塔的基础及地脚螺栓均没有受到破坏，部分导地线及金具或因倒塔发生了二次损伤，13基铁塔倒塔方向大致垂直线行倒向同一方向，铁塔主材和身部交叉斜材均有不同程度失稳破坏，基本符合大风情况下的倒塔特点。具体如图3所示：

通过对倒塔现场的调研与分析，发现角钢输电塔塔腿以上的塔身一二段易发生失稳破坏进而导致全塔的

倒塌。

3.2 角钢输电塔ANSYS建模

本文通过对ZM4输电塔这种塔形进行数值模拟分析，更进一步找出输电塔的破坏特征。ZM4输电塔的设计条件是：设计风速均为10m高35m/s，采用LGLX-240/40钢芯稀土铝绞线作为输电导线，GJ50钢绞线作为地线；其呼高21m，总高26.5m，塔身中下部主材采用Q345钢材，其余部位均采用Q235钢材。ZM4输电塔属于典型的桁架钢结构，因此在ANSYS中采用BEAM188单元进行建模分析，其三维有限元模型见图4。

3.3 角钢输电塔静力分析

通过输电塔的静力分析，了解输电塔在风荷载作用下的受力特点，更有助于研究输电塔破坏特征。

本文重点研究强台风频发区输电塔的破坏特征，因此只考虑垂直于线路方向90度条件下的风荷载。综上，输电塔受力包括：输电塔自重，导地线、绝缘子及金具的垂直荷载，输电塔及导线等受到的风荷载。

根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》的规定，输电塔线体系的输电塔和导线采用分开设计的方法，采用静力学知识对输电塔进行分析。此处取10m高度处42m/s的风速作为强台风风速进行分析。

在ANSYS中对ZM4进行受力分析，其分析结果如图5所示，其中圖5（a）为ZM4输电塔位移图，图5（b）为ZM4输电塔应力图。

由图5（a）可得，ZM4输电塔由于塔身中下部斜材缺乏必要的约束，变形较大；由图5（b）可以看出，该类型输电塔最大等效应力单元位于塔身中下部迎风面斜材处，其等效应力为155MPa，属于拉应力。

通过以上输电塔静力学分析，得出以下结论：对于ZM4类型的输电塔，其塔身中下部缺乏必要的支撑与约束，在强台风作用下，塔身中下部斜材出现了较大的变形，同时该处出现了较大的拉应力，因此，当台风荷载较大时，塔身中下部容易出现抗拉能力不足造成斜材破坏的现象，进而可能造成输电塔的倒塌。

3.4 角钢输电塔模态分析

结构的固有振动特性只与结构自身的质量和刚度有关，因此又被称为自振特性。结构的自振特性对结构在动力作用下的响应行为起了决定性的作用。利用ANSYS软件对建立的ZM4输电塔有限元模型进行模态分析，提取输电塔的部分自振频率和振型，如表1所示：

由表1可知，ZM4类型输电塔从第三阶开始出现了塔身下部局部振动。这些局部振动的较早出现，使得输电塔在台风荷载作用下，更易发生破坏。

3.5 角钢输电塔稳定性分析

利用ANSYS对输电塔加固前后线性稳定性进行对比分析。在ANSYS中建立输电塔的有限元模型，将所确定的等效风压加载在各层塔迎风面的型材作为节点荷载，进行静力分析，分析时，激活预应力影响；定义分析类型、分析选项、荷载步，获得特征屈曲解；扩展静力解。ZM4输电塔在设计风速下的屈曲模态如表2所示：

对ZM4输电塔进行稳定性分析得到输电塔的第一阶和二阶屈曲系数分别为11.2901和13.2376，满足基本风速35m/s的设计要求；当风荷载继续增加，由于塔身中下部斜材缺乏必要的约束可能的失稳部位在塔身第一、二段斜材处，也就是说对于ZM4类型的输电塔而言，塔身中下部斜材为其薄弱环节。

综合以上对强台风频发区输电塔倒塌的调研分析以及对ZM4输电塔的数值模拟分析得到：输电塔塔腿以上塔身一二段为其薄弱部位，易发生失稳破坏进而导致全塔的倒塌。因此，要加强对塔身一二段的监测，必要时采取一定的手段进行加固。

4 强台风作用下输电塔倒塌原因分析

根据以上输电塔破坏特征的分析研究，对强台风频发区输电塔致灾原因进行简要分析。其致灾原因主要有以下三点：

4.1 设计风速不足

强台风风速远大于输电塔结构的设计风速，这使得强台风荷载远大于设计风荷载，因此应当加强对台风的监测，针对台风频发地区，适当提高输电塔设计风速。

4.2 输电塔结构设计不合理

输电塔倒塌主要发生在塔身中下部，输电塔塔身一二段通常是塔身坡度不变段，断面内设置的横隔面相对较少，约束较少，而这部分在大风吹袭时通常受到较大的弯矩和剪力作用。因此这一部分缺乏有效的支撑而承受了较大的应力，是输电塔结构的薄弱部位。

4.3 导线的摆动

导线在强台风荷载作用下将迎风产生剧烈摆动，导致输电塔与导线间的耦合作用增大，对输电塔结构抗风能力造成了很大影响。

5 强台风作用下输电塔抗倒塌的建议

通过以上输电塔破坏特征及致灾原因的分析，并对输电塔设计原理及结构措施进行分析与研究，针对沿海地区强台风作用下输电塔杆塔的抗倒塌提出以下五点建议：

5.1 适当提高设计风速

目前，参考设计风速为30～35m/s；根据风级典型的破坏程度，强台风风速约为41.5～50.9m/s，超过了结构的设计风速，这导致线路断线、倒杆。因此应考虑从设计方面采取适当措施，提高台风频发地区输电塔的设计风速，提高其抗灾害能力。

5.2 对已建输电塔采取相应加固措施研究

通过以上分析我们了解到输电塔结构塔身中下部为薄弱环节，增设横隔面可以有效改善其整体性能，因此应进一步对塔身中下部进行研究。

5.3 加强风致振动控制分析，强化防灾减灾经济保障体系

目前，已有研究结果表明，质量摆、TMD及VED等风振控制措施能够有效减小高柔度结构的振动，是一种经济、有效的风致振动控制方法，因此，可针对薄弱塔进行相应的研究及应用。但针对大跨越输电塔线体系，由于其是塔线空间耦联的振动体系，与常见的高柔结构有明显不同，有必要专门对其进行研究。

5.4 研究典型输电塔抗风方案，修建抗风试验工程

为了更好地做好在役塔的抗风加固方案的研究，需要通过理论、数值分析以及试验研究来总结、方案比选、科学评价以及综合决策，找到最合理、最优的抗风方案进行推广。

5.5 加强输电线路运维和问责

建立防灾机制，制定输电塔倒塌应急预案，使配电线路状态评价工作常态化，及时发现缺陷，修补基础、护坡，更换损坏和有裂纹的钢筋混凝土电杆，尽早发现有锈蚀变形等缺陷的铁塔并及时整改。

6 结语

近年来，受气候变暖的影响，灾害性及极端恶劣性天气的发生更加频繁。沿海地区的电网抗灾防变能力受到越来越大的挑战，提高现有输电塔的抗灾能力刻不容缓。为保证输电线路的安全稳定运行，通过对输电塔线系统倒塌现象、规律及致灾原因的分析，为未来输电塔设计及研究有两个重要的研究方向：（1）从输电塔本身考虑，增加塔身下部横隔面和斜撑，改善输电塔的受力性能；（2）从耗能减振出发考虑，研究输电塔风致振动控制系统，减轻风荷载本身对塔的作用。

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作者简介：李小芳（1991-），女，山西忻州人，长沙理工大学硕士研究生，研究方向：输电塔加固改造；杨伟军（1962-），男，湖南益阳人，长沙理工大学教授，博士生导师，研究方向：结构可靠性。

（责任编辑：黄银芳）