220 kV中冰区四回路窄基钢管塔主斜材刚度配比研究

2018-08-07徐明鸣何洪波

吉林电力 2018年3期

徐明鸣，邓威，陈鑫，何洪波

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，长沙 410007)

窄基钢管塔具有压缩线路走廊，减少建设用地，分件运输和组装等特点，逐步成为城区电网建设的主要塔型。其可以设立在城市道路的绿化带中，较大程度上避免与市政规划冲突，另一方面，窄基钢管塔占地面积远远小于传统铁塔，对节约城市的土地资源意义很大［1］，可以说窄基钢管塔既具有普通铁塔的加工、运输、组装方便的优点，又占用线路走廊小，具备外形美观的优势，因此，开展窄基钢管塔关键设计技术的研究就显得比较迫切和必要。

220 kV中冰区四回路窄基钢管塔主要采用钢管和角钢的组合形式，与常规铁塔相比，窄基钢管塔根开小，高宽比大，整体刚度柔［2］。目前，针对常规钢管塔的设计关键技术、加工标准等研究取得了较全面成果，而中冰区多回路窄基钢管塔的关键设计技术研究在国内尚未开展工作。本文重点对220 kV中冰区四回路窄基钢管塔主斜材刚度配比作了研究分析。

1 窄基钢管塔设计介绍

基准风速取23.5 m/s，设计覆冰取15 mm导线采用2×JL/G1A-630/45钢芯铝绞线，地线采用铝包钢绞线JLB40-150。设计导线安全系数6，地线安全系数7。铁塔根开4～6 m，全高采用一个坡度设计。主材采用钢管，横担和塔头交叉材采用角钢，构件材质Q235B及Q345B，构件连接采用锻造法兰、插板及螺栓。15 mm中冰区四回路窄基钢管塔使用条件见表1。

表1 15 mm中冰区四回路窄基钢管塔使用条件

2 塔身主斜材刚度配比研究

2.1 计算模型

目前的杆塔结构设计主要采用满应力准则法，该方法是将铁塔简化为空间桁架结构，所有构件之间为铰接，不考虑剪力和弯矩的影响。在桁架结构中，铁塔主材是主要传力构件，内力大，主材规格也较高，斜材作为辅助构件，主要起到约束主材和降低主材长细比的作用，在满应力设计中斜材的内力较小，往往出现“大主材小斜材”的情况，主斜材刚度差别较大［3］。

在实际情况下，窄基钢管塔主材和斜材、横隔材之间采用法兰、十字插板及C型插板联结，增加了节点的约束和整个铁塔的刚度，使其不是完全的桁架模型。在桁架模型计算中，存在平面节点问题，即形成某一铰节点的多根杆都在一个平面内，节点在这个平面内是稳定的，但在平面的法线方向上没有约束，必须增加附加杆件来减小这个节点的自由度，导致模型复杂并带来计算误差［4-6］。本文采用有限元分析桁架模型、刚架模型和桁梁混合模型下窄基钢管塔主斜材的刚度配比。

2.2 有限元计算

选取SSZG1四回路直线塔与 SSJG61、SSJG64四回路转角塔为研究对象(见图1)，四回路直线塔分为1～11个节间，每个节间提取最大主斜材内力;四回路转角塔分为1～8个节间，每个节间提取最大主斜材内力。将塔身主斜材逐层分解，分析其不同模型下的力学特性及刚度配比情况。

图1 四回路直线塔及转角塔节间布置

桁架模型采用以满应力计算为核心的自立式铁塔内力分析软件(TTA)计算;刚架模型和桁梁混合模型采用有限元软件ANSYS进行模拟，刚架模型中全部构件采用Beam188空间梁单元，桁梁混合模型将铁塔的主材视为梁单元(采用Beam188单元)，其他斜材视为杆单元(采用Link8单元)。Beam188单元既能承受轴向力又能承受剪力和弯矩，基于Timoshenko梁结构理论，并考虑到剪切变形的影响，适合于分析纤细和较长的梁结构，Link8单元只能承受轴向力。铁塔整体及头部三维有限元模型见图2。

图2 铁塔整体及头部三维有限元模型

3种塔桁架模型、桁梁模型和刚架模型的主斜材最大轴力值见表2、表3、表4。

通过计算分析，3种模型的主材轴力值变化幅度较小，基本在3%以内，而斜材轴力值变化幅度相对较大，多在20%～30%。同时四回路窄基钢管塔斜材占主材内力比值较大，直线塔最大可达6%左右，转角塔最大可达到9%左右，而常规角钢直线铁塔约为1%～3%、角钢转角塔约为2%～5%。

在有限元计算中，桁架模型的所有节点理想铰接，杆件只承受轴力，斜材及端部刚度较低，在受力分配中斜材内力值较低。桁梁模型中，提高了斜材两端节点刚度，在受力分配中内力值增大。刚架模型中除了提高斜材两端刚度外，还提高了斜材本身的受力刚度，所以该模型中斜材受力最大。窄基钢管塔主材通过法兰连接，增大了杆件端部的约束刚度，需要考虑杆端弯矩对主材受力的影响。塔身钢管斜材采用C型或十字插板与主材连接，较常规角钢构件采用单面螺栓连接方式，钢管斜材杆端连接刚度大大增加，因此桁梁模型或刚架模型相比桁架模型更符合窄基钢管塔实际，所以在铁塔设计中，采用TTA计算的斜材轴力值相对偏小，应予以加强。

3 结论及建议

窄基钢管塔相对常规铁塔，结构刚度较弱，整体高宽比更大，几何非线性影响更强，同时其更具动力响应敏感性。为保证220 kV中冰区四回路窄基钢管塔结构的可靠性，建议其主斜材内力比值为:直线塔斜材占主材的3%～5%;转角小于60°的转角塔斜材占主材的5%～7%;转角不小于60°的转角塔斜材占主材的6%～8%。