风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征分析

张博 马杰 李梦丽 艾文君 刘博

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；

2.国网河南省电力公司经济技术研究院，河南郑州 450052）

风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征分析

张博1马杰2李梦丽1艾文君1刘博1

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；

2.国网河南省电力公司经济技术研究院，河南郑州 450052）

风害是引起输电杆塔故障的重要原因之一。研究风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征，明确风害造成输电杆塔故障的机理，对于输电杆塔风害的防治具有重要的作用和意义。基于此，以典型的500kV超高压CJ1-30型耐张塔为例，建立有限元分析模型，对不同风荷载条件下输电杆塔的应力分布特征进行分析。结果表明，杆塔主材的坡面过渡位置是受力的薄弱点，并建议电网运行单位在年度运维检修中予以重点关注。关键词：风荷载；输电杆塔；应力分布

风害是引起输电杆塔故障的重要原因之一。由于自然灾害的影响，输电线路的倒塔次数和基数呈增长趋势［1-3］。例如，1989年8月13日华东电网某500kV镇江段4基杆塔倒塔；1992年和1993年发生2次大风致500kV输电线路倒塔事故；1998年8月22日，华东电网某500kV线路江都段4基杆塔倒塔；2000年7月21日，吉林电网10基500kV杆塔因遭受龙卷风、暴雨和冰雹侵袭发生倒塔。因此，研究风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征，明确风害造成输电杆塔故障的机理，对于输电杆塔风害的防治具有重要的作用和意义。

1 典型耐张塔的有限元建模

输电铁塔按照在输电线路中的作用不同，分为直线塔、转角塔、耐张塔和终端塔等。不同塔型的受力特点亦互不相同。相对而言，转角塔和耐张塔的受力条件相对比较苛刻［4，5］。

虽然在设计阶段，转角塔和耐张塔的结构强度已经比直线塔有所提高。但是，实际故障中，耐张塔和转角塔的故障比例依然较高。因此，本文主要以耐张塔为例，分析杆塔在风荷载作用下的应力分布特征，分析选用杆塔

塔型为CJ1-30，如图1所示。

图1 CJ1-30铁塔实景

在设计规程中，铁塔的强度计算一般将其简化为空间桁架结构，也有的将铁塔简化为空间梁结构。为了使模型更加接近实际情况，根据结构中各相邻杆件之间的连接关系，建立铁塔的空间杆梁混合结构模型。为了便于问题分析，本文对杆塔附件进行了简化处理：螺栓简化为可以传递弯矩的刚接点，杆塔基础简化为固定约束点，如图2所示。

图2 有限元模型

2 杆塔荷载的计算与加载

根据计算需要，杆塔承受的荷载一般可分解为作用在杆塔上的垂直荷载（垂直荷载是垂直于地面方向的荷载）、横向水平荷载（平行杆塔平面即沿横担方向）、纵向水平荷载（垂直杆塔平面即垂直横担方向）。风载荷属横水平荷载，主要包括：杆塔塔身风荷载；导线、地线、绝缘子串和金具的风荷载。对于各种载荷的计算模型，本文均采用《电力工程高压送电线路设计手册》中推荐的计算公式［4，5］。

本文后续分析中对不同荷载采用了不同的加载方式。绝缘子、导线、金具对杆塔的作用（如风荷载、静张力、动张力、重力等），均等效为力加载在杆塔的对应作用点位置，即导线与杆塔的连接处。杆塔本身荷载（如重力、风荷载等）等效施加于杆塔各杆件处：重力施加于各个单元；风荷载按水平方向风对杆塔的风压效果，简化至主材迎风面的节点上。

3 不同条件下杆塔的应力分布

3.1 无风条件下杆塔其他荷载单独作用

单独施加静垂直荷载（包括导地线、金具、杆塔等所有附件的总重量），确定在无风条件下杆塔的应力分布情况。图3所示为线路覆冰工况下CJ1-30杆塔在静垂直荷载作用下的应力分布。从图3中可知，仅考虑重力荷载时（无风条件下），杆塔杆件的最大拉应力发生在横担侧面靠近塔身的斜材处。当风速进一步增大时，该位置将成为杆塔结构首先破坏的危险点。

图3 静垂直荷载单独作用的应力

3.2 风荷载单独作用

为讨论风荷载的作用，先不考虑静垂直荷载作用，按垂直线路方向（线路方向与风方向夹角为90°）加载5、10、20、30m/s 4种风荷载，CJ1-30杆塔的风荷载响应如图4、5所示。

图4 风速30m/s时杆塔的正应力

图5 风速的方与最大正应力的关系

通过综合对比分析发现，风荷载单独作用时，风速与最大应力和最大位移呈现非线性化特征。风速的变化不影响杆塔的应力分布；在设计风速范围内（小于30m/s），不同风速作用时杆塔的应力分布图具有相同的特征，最大应力点相同。杆塔的最大拉应力与最大压应力水平相当，均出现在杆塔的主材的坡面过渡位置。当风速进一步增大时，主材的坡面过渡位置将成为杆塔结构首先破坏的危险点。

3.3 静垂直荷载和风荷载同时作用

当同时考虑静垂直荷载和风荷载作用时，实际上相当于模拟正常运行条件下导线的风荷载响应情况，其结果如图6、7所示。

通过分析发现，不同风速作用时杆塔的应力分布不同，杆塔的最大应力与风速之间无特征规律。最大应力的出现位置具有如下特征：当风速较小时，最大应力主要由静垂直荷载决定，出现位置与单独静垂直荷载作用时相同；当风速较大时，最大应力由静垂直荷载和风荷载同时作用，出现位置同时包含单独静垂直荷载作用时对应的位置及风荷载单独作用时对应的位置。杆塔的最大拉应力与最大压应力均出现在杆塔的主材的坡面过渡位置。当风速进一步增大时，主材的坡面过渡位置将成为杆塔结构首先破坏的危险点。

4 结语

通过分析发现，当风速较小时，最大应力主要由静垂直荷载决定，出现位置为横担侧面靠近塔身的斜材处与单独静垂直荷载作用时相同（横担侧面靠近塔身的斜材处）；当风速较大时，最大应力由静垂直荷载和风荷载同时作用，出现位置同时包含单独静垂直荷载作用时对应的位置及风荷载单独作用时对应的位置（杆塔的主材的坡面过渡位置）。

图6 风速30m/s时杆塔的正应力

图7 不同风速时杆塔的最大正应力

针对风荷载作用下输电杆塔的应力分布特征，建议电网运行单位在输电杆塔的年度检修中应重点检查横担侧面靠近塔身的斜材处和主材坡面过渡区域，检查杆件是否变形，螺栓是否存现滑移和松动。

［1］国家电网公司运维检修部组.输电线路六防工作手册：防风害［M］.北京：中国电力出版社，2015.

［2］胡毅.输电线路运行故障分析与防治［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］谢强，张勇，李杰.华北电网500kV任上5237线飑线风致倒塔事故调查分［J］.电网技术，2006（10）：59-63.

［4］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［5］邵天晓.架空送电线路的电线力学计算［M］.北京：中国电力出版社，2003.

The Stress Distribution Characteristics of Transmission Tower under the Action of Wind Load

Zhang Bo1Ma Jie2Li Mengli1Ai Wenjun1Liu Bo1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052；2.Economic and Technical Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052）

The wind-induced disaster is one of the important cause of transmission tower failure.It has an important role and significance for the prevention of transmission tower wind to study the stress distribution characteristics of transmission tower under the action of wind load,to understand the mechanism of transmission tower failure caused by the wind.Based on this,taking the typical 500kV transmission tower with CJ1-30 type as an example,the stress distribution characteristics of transmission tower under the action of wind load were analyzed by setting up the analyt⁃ical model of finite unit.Then the stress distribution characteristics of transmission tower are analyzed under the con⁃dition of different wind load.The results showed that the transition point of the slope of tower advocate material was the weak spot of structure stress,and it was suggested that the transition point of the slope of tower advocate material should be pay more attention in the annual maintenance and repair of grid operation units.

wind load；transmission tower；stress distribution

TM753

A

1003-5168（2016）10-0135-03

2016-09-05

张博（1985-），男，硕士，工程师，研究方向：输电线路运维技术、输电线路舞动防治技术。