一起ZS型铁塔倒伏案例分析

张建国,张廼龙,李成钢

(国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

近年来，输电线路遭受强风影响的问题受到广泛关注，在强风作用下倒塔的事故在沿海地区时有发生[1-2]，强风雷暴对中国输电线路的危害呈现出频次增加、程度增大趋势[3]。目前输电铁塔的可靠性一方面是靠合理的设计、正确的施工来保障，另一方面则是靠投入应用后的维护，合理的维护、强风预警[4]对输电铁塔的耐用性、安全性有着重要影响。

2016年8月，东南某地区局部遭遇强风雷暴袭击，致使某110kV线路#25、#26、#27三基直线塔倒伏。该线路于2002年5月14日投入运行，线路长度7.439km，导线为LGJ-240/30，地线为GJ-50，#25、#26为ZS-36直线塔，#27为ZS-40直线铁，#24～#25实际档距为287m，#25～#26实际档距为233m，#26～#27实际档距为179m，#22～#28塔为同一个耐张段。

本文调研倒塔现场、分析气象监测数据，通过计算得到现场最大风速为29m/s，超过铁塔设计风速；对铁塔弯折部位杆件尺寸、材质及力学性能进行实验室检测分析，其结果满足铁塔设计相关规范要求；校核了铁塔弯折处主材在设计风速下的受力，该处为铁塔抗强风的薄弱环节。通过上述分析明确了造成此次倒塔故障的主要原因，为分析同类故障提供了参考，并提出了降低此类故障发生风险的合理化建议。

1 现场检查

现场检查发现，故障线路#25、#26、#27三基铁塔折倒。周围多处工棚、彩钢瓦被风吹起、倒塌。检查发现#25～#27铁塔均在下横担下侧第三段发生弯折，如图1，2所示。

图1 #25塔倒塔现场照片

图2 #27塔倒塔现场照片

铁塔总高、弯折高度及材质分析现场取样情况见表1。

表1 铁塔高、弯折高度及取样情况

2 气象数据分析

故障地区气象站测得20.3m/s的大风，风向为南到东南风，自动站极大风速达26.2m/s，风向为偏东风，故障区域临近自动站极大风速达28.1m/s，风向为南到西南风。图3～4为14:48:13和14:54:02的雷达回波图。根据雷达回波推算，在倒塔发生地的20m高度处，极大风速可达29m/s。

图3 14:48:13气象雷达图

图4 14:54:02气象雷达图

3 铁塔杆件试验分析

对#25～#27塔弯折部位附近取角钢主材样品，在实验室里对角钢尺寸、材质化学成分、力学性能进行检测试验，判断塔材的尺寸和性能是否符合标准和设计要求。样品情况如图5所示。

图5 试验分析杆件

3.1 塔材尺寸测量

现场取回的塔材(角钢)尺寸符合GB/T 706—2008《热轧型钢》标准要求，也与设计尺寸相符，结果见表2。

表2 试样尺寸测量结果 mm

3.2 材质分析

对塔材样品采用直读光谱分析仪进行化学成分检测，结果显示，#25、#27试样的主要元素含量均符合GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》标准要求(设计图纸材质为16Mn，现替代牌号为Q345)，#26试样的主要元素含量均符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》标准要求(设计图纸材质为A3F，现替代牌号为Q235)，见表3。

表3 材质成分分析结果 %

3.3 力学性能试验

将铁塔样品加工成标准样后进行拉伸力学性能试验，各试样的性能指标均符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》及GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》标准要求，见表4。

表4 材料拉伸性能检测结果

4 铁塔强度校核

本文对呼高36m的铁塔开展风灾害下的受力校核，校核计算条件：地线为GJ-50，导线为LGJ-240/30，垂直档距LV=300m，水平档距LH=350m，风速V=25m/s。校核规程：2002年工程按SDGJ94-1990规程[5]计算。

4.1 导地线荷载计算

导地线风荷载WX计算公式如下：

WX=K2·α·C·d·Lp·V2/1 600·sin2θ

式中：K2为风压调整系数，取1.426 7；α为风压不均匀档距折减系数，取0.85；C为体型系数，与线径相关，地线取1.2，导线取1.1；d为导地线直径；Lp为水平档距；θ为风向角，取90°。

由计算可得，地线风荷载Wt=1.535kN；导线风荷载Wm=3.377kN；地线自重Gt=120kg；导线自重Gm=277kg。

4.2 铁塔风荷载计算

塔身风荷载WS计算公式如下：

WS=KZ·KT·C·F·V2/1 600

式中：KZ为风压高度变化系数，塔段高度为40～50m时取1.46，塔段高度为30～40m时取1.37，塔段高度为0～30m时取1.25；C=1.4×(1+η)，其中η为塔架背风面风荷载降低系数，对塔头部分η=0.66，对塔身部分η=0.85；KT为风压高度调整系数；F为挡风面积。

根据塔身风压分段情况、铁塔填充系数及挡风面积即可求得铁塔风荷载。

4.3 主材强度校核

根据静定平面桁架内力分析法，可得铁塔主材内力U计算公式为

式中：G为包含自重在内的竖向荷载；W为包含风荷载在内的横向荷载；h为横向荷载力臂。

塔腿主材内力U40：

主材为16Mn，材料允许应力为230MPa，规格为100mm×10mm，杆件截面积A=19.24cm2，回转半径γg=1.96mm，计算长度l0=105，长细比λ=53.57，根据回转半径及长细比查SDGJ94—1990规程可得稳定系数φ=0.816，N为杆件轴向压力。

主材应力σ：

由此可知，塔腿主材应力σ占材料允许应力的56%。

塔段7主材内力U7：

塔段7主材为16Mn，规格75mm×5mm，杆件截面积A=7.385cm2，回转半径γx=2.31，计算长度l0=150，长细比λ=65，查SDGJ94—1990规程可得稳定系数φ=0.745。

主材应力：

由此可知，塔段7主材应力σ为材料允许应力的96%。

综上所述，通过对ZS-36型铁塔进行风灾害强度校核可知，发生弯折的塔段7在设计风速下的应力为材料许用应力的96%，安全裕度最小，抗强风能力最弱。

5 结论和建议

本文通过现场检查、气象数据分析、实验室分析及受力校核计算等方面确定了倒塔的主要原因，得到如下结论：

1)铁塔折弯部位的角钢尺寸、材质化学成分和力学性能均符合标准和设计图纸要求。

2)气象监测数据推算表明，现场出现的最大风速为29m/s，超出铁塔的设计风速，是导致倒塔的主要原因。

3)经强度校核，在设计风速下，发生弯折的塔段7主材应力值为材料许用应力的96%，抗强风能力最弱，因此在该部位发生折弯。

因此，建议对危险度较大的跨越线路进行校验，包括耐张段设置、杆塔抗风能力验算，对不满足现行设计和运行规范的跨越线路进行改造或加固。加强极端灾害天气的预警，提前做好应急抢险准备，降低电网事故的影响范围。