输电线路铁塔锈蚀塔腿补强措施及仿真计算

邓长征 郭轶磊，3 张康伟，3 赵 侠 牛浩然

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 新能源微电网湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002；3.中国电力科学研究院有限公司武汉分院，武汉 430074)

输电铁塔是高压输电线路的承重结构，其结构稳定对电力系统可靠运行至关重要[1].据现场观测分析，多条线路铁塔的塔脚和连接板部分位置已经严重锈蚀，使得塔腿区域结构强度下降，甚至已经对线路的安全运行产生不好的影响[2-4].因此提出合理可行的塔腿补强措施势在必行.

目前国内许多专家对塔腿补强措施进行了优化研究，文献[2]提出更换塔腿的措施，首先运用钢丝绳和抱杆替代锈蚀的塔腿支撑，随后进行塔腿的拆除与更换.文献[3]提出组合角钢主材加固，即通过背靠背在原主材上附加一根相同规格的主材用于加固铁塔的方法.文献[4]提出加固焊补方案，即对锈蚀严重的部位进行拆除，随后采用护板焊接起来的方法.总之，以上补强措施或是由于更换塔腿费用昂贵，使经济效益低下；或是由于铁塔结构限制，无法对原有结构进行补强操作；亦或是对已锈蚀塔腿主材进行焊补或更换工作，结果导致整体结构强度下降.

本文通过ANSYS有限元分析软件建立了铁塔结构的桁架混合模型，结合工程结构加固的思想，对已锈蚀塔腿主材分别在正常和恶劣运行工况下的受力情况进行了计算，由计算结果针对普遍的塔腿锈蚀提出了一种新型加固方案—分解加固法，并建立加固补强后的计算模型对铁塔的应力强度及整体稳定性进行了分析，验证了该种加固补强方案在恶劣工况下力学性能方面的可行性.

1 输电线路铁塔的锈蚀情况

通过对超高压输电公司柳州局所辖的输电线路杆塔实地调查发现，该局所辖的河柳甲线、河柳乙线等19条线路部分铁塔发生严重腐蚀，主材表面大量脱落.这些缺陷会降低杆塔的稳定性，增大倒塔断线的风险，如图1所示.

图1 铁塔连接板及螺栓锈蚀情况

该区段线路铁塔运行已经超过15年，现需要对锈蚀铁塔进行补强工作.本文通过仿真软件建立有限元模型，找出集中应力区段，以期对铁塔进行有针对性的结构评估，并提出补强措施，最后对其进行验证.该工程的塔型均为ZB型直线酒杯塔，铁塔主材和斜材分别采用Q345，Q234规格的角钢.

分析调查结果发现，铁塔腐蚀部位主要发生在主材与保护帽(基础)接触部分(即塔脚处)，具有宽度厚实、刚度强、螺栓密集、结构冗杂的特点，且塔脚处植茂繁多、处于背光处，导致隐蔽性强，往往巡线人员不易发现腐蚀情况.因此本文以塔腿主材区段为研究点，依据ANSYS软件平台，建立有限元结构模拟对象.

2 铁塔有限元模型的建立

研究表明酒杯型铁塔采用桁架混合模型最符合铁塔结构实际的力学状态[5]，考虑塔材截面应力和单元网格的划分，在建模单元时选用Beam188号梁单元，以提高仿真准确度[6].主材和斜材相关设计参数见表1.

表1 主、斜材参数

铁塔为中心对称结构，故先完成1/4 结构的绘制，进行两次镜面操作，即可得到完整塔型.如图2～3所示，然后进行网格划分，定义主材斜材的材料属性，最后进行加载求解和结果后处理.

图2 局部结构图

图3 整体结构图

3 计算结果及分析

3.1 荷载计算

铁塔荷载主要由水平荷载与垂直荷载组成，铁塔水平荷载由风作用在塔身和导地线上产生，与风速和作用角度有关；铁塔垂直荷载主要由铁塔自重与导地线重量有关[7].

铁塔风压荷载P(单位：kN)的计算按式(1)～(3)进行：

式中，v为计算风速，取最大风速为30m/s；A为塔身侧面受风面的投影面积，该塔型为酒杯塔，呼称高45m、塔头高22m、侧面根开9.9m，则A=194.77 m2；φ为平面桁架的挡风系数；∑AC为桁架杆架投影面积之和，经计算∑AC=40.44m2；KP为风载体形系数，取1.43.

导线风压荷载Wx计算按式(4)进行：

式中，Wx为垂直于电线轴线的水平风荷载(N)；α为电线风压不均匀系数，取0.75；μsc为电线体型系数，取1.1；βc为500kV 线路电线作用于铁塔上的风调系数，取1.2；d为电线外径，取26.82mm；δ为覆冰厚度，此工况下不考虑覆冰厚度；lH为铁塔水平档距，取250m；θ为风向与电线轴向间的夹角，取90°.

地线风压荷载PG计算方法与导线相同，LBGJ-120-40AC地线相关数据可从设计手册查得[8].

3.2 正常铁塔的荷载施加求解

在仿真软件中对铁塔模型施加荷载，为了使仿真计算结果更具有说服力，文中各种荷载均比实际情况略大，气象运行条件也选取为当地最恶劣的情况，即在风速为30m/s下的运行状态.铁塔在正常运行状态荷载和30m/s大风作用下荷载整体示意图和塔腿示意图，分别如图4～7所示.

由图5 可知，未发生塔腿主材锈蚀的铁塔在30m/s大风的极限运行状态下，铁塔塔头变形处于危险区域(红色)，但塔身总体处于安全区域(绿色)，所以铁塔仍能正常运作.由图7可知，塔腿最大应力可为245MPa，发生在塔腿主材部(红色).此时，塔腿主材应力均远小于Q345的极限应力(Q345的屈服强度为345MPa).铁塔保持正常运行状态，表明铁塔处在没有发生锈蚀的正常状态下，能完全满足30m/s大风运行环境.

图4 正常运行整体图

图5 30m/s大风荷载整体图

图6 正常运行塔腿云图

图7 30m/s大风荷载塔腿云图

3.3 锈蚀铁塔主材的仿真分析

在角钢的锈蚀模拟中，为贴近实际工程，在锈蚀截面处选用变截面梁单元的设置，以不同厚度的角钢来代替不同程度的主材腐蚀情况.截面厚度变化详细处理如图8所示.此方法在模型计算时更加贴近实际情况.对锈蚀铁塔施加30 m/s大风时承受的极限荷载，可得到如图9所示的受力云图.

图8 角钢L140×10锈蚀截面处理图

图9 塔腿腐蚀时变形云图

由图9可知，当主材杆件由于锈蚀而厚度减少时，周围斜材杆件受力有显著增加 ，斜材应力最大达到了239MPa，超过了钢材Q235(Q235的屈服强度为235MPa)的极限应力，铁塔底座可能会发生严重变形.因为铁塔主材斜材均采用的时钢材Q345，极限应力为345MPa.因此，铁塔处于极限运行状态，部分组件发生严重不可逆变形，铁塔塔腿应力远超过设计应力值，若不及时处理，铁塔将发生不可逆的变形，很容易发生倒塔事故.

4 塔腿主材补强措施

4.1 分解加固法

分解加固法是基于力的分解的原理，在受到严重腐蚀的塔腿附近新建3个塔腿，替代原腐蚀塔腿，用以承受原塔腿受到的各项荷载.如图10 所示，塔材AD、BD、CD(黑色)代表的是原塔腿主材，分别在每个新建基础上安装新的塔腿，两侧基础(红色)的塔腿有两根主材(红色BN、CN和绿色AL、BL)，分别连接塔腿与塔身交界线的端点B与中点A或C，中间基础(蓝色)有3根主材(蓝色AM、BM、CM)，3根主材分别连接A、B、C3点，所有主材均需进行腐蚀防护措施.3个新建基础所在的3个塔腿的合力能够承受原有线路铁塔对该塔腿的作用力.

4.2 有限元模型仿真分析

图10 分解加固示意图

建立加固后的有限元模型，并施加与前文相同的工况荷载，模拟出针对锈蚀塔腿的分解加固后的杆塔运行情况.图11所示为塔腿分解加固有限元模拟示意图.主材加固后的有限元等效应力云图如图12所示.可见，加固后原锈蚀主材受力明显减小，新加固塔材与原来杆塔在恶劣工况下的塔腿主材应力值减小，这是因为采用了分解加固.从数值上分析，加固后塔材所受应力值为40～60 MPa 左右，减小比约为75%，应力值远低于塔材屈服强度.

图11 塔腿分解加固有限元模型示意图

图12 塔腿分解加固后塔材等效应力云图

由此可知，本分解加固措施既满足加固后需要承担起原塔腿荷载，又降低了加固塔材各自承担的荷载，具有良好的效果.

5 与传统方案的对比分析

采用传统方法解决塔腿锈蚀问题的过程为：先将导、地线拆除，由于锈蚀铁塔一般是运行了15年左右的老旧铁塔，将原塔拆除后再组装已经很难完成，所以只能将整个铁塔拆除，最后再新建一基铁塔.这类方法在材料上要考虑整基塔，施工周期长，工程造价高昂，对电网安全稳定运行影响较大.

本文所提出的分解补强法：补强杆件自身构成几何不变体系，不损伤原结构体系，仅需在指定位置(即锈蚀塔腿附近)新增塔腿，使原塔腿的受力由新增塔腿承受，故整体稳定性好.且能够达到在不影响正常输电或短期内就能恢复供电的使用要求，确保在原有工况下已服役的铁塔能够继续安全工作和延长使用寿命.野外施工过程受外界环境影响较小，无高空作业.所以加固周期短，施工方便，费用低，对施工过程中的安全和进度有保障.

表2为分解加固法与传统方法的经济性对比.可见，分解加固法工程造价低，施工周期短，期间无需采取停电措施，可靠性良好.

表2 经济性对比

6 结 论

本文以现有输电线路铁塔塔腿主材普遍存在的锈蚀问题为出发点，提出采用一种新型补强措施—分解加固法，用于取代传统补强方案.并运用ANSYS有限元分析软件对已锈蚀铁塔和补强后的铁塔进行了力学性能分析，得出以下结论：

(1)提出的新型补强措施—分解加固法，不损伤原有的结构体系，加固周期短，施工方便，费用低，且加固后的铁塔能够达到在不影响正常输电或短期内就能恢复供电的使用要求，故此补强方案可以对一般铁塔加固工程做参考.

(2)计算结果证实补强后的塔腿所承受的应力减少约为75%，远低于塔材的屈服强度，有效降低了原有塔腿主材的受力，满足规范规定的承载力要求.