220 kV双回输电线路钢管杆设计分析

苑士岩，赵风雷

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

钢管杆相比于常规角钢塔，具有占地面积小、外形美观、结构简单、加工容易、施工方便、运行安全可靠、维护工作量小等特点[1]。在城市输配电线路中，特别是地形受限制或线路走廊拥挤的地区，钢管杆发挥着重要作用，有效解决了城市用地紧张和电力线路需求增加的矛盾。

钢管杆按结构形式分为等径杆和锥形杆，按截面形式分为圆形杆、多边形(菱形)杆。钢管杆设计采用概率理论为基础的极限状态设计方法，用可靠度指标度量其可靠性，在规定的各种荷载组合作用下，满足线路运行安全的要求。钢管杆的设计还应考虑制造工艺、施工方法(包括运输和安装)以及运行维护和环境因素[2]。

钢管杆承受的荷载一般分解为横向荷载、纵向荷载和垂直荷载3种。横向荷载是沿横担方向的荷载，如直线杆上的导线、地线水平风力，转角杆导线、地线张力产生的水平横向分力等。纵向荷载是垂直于横担方向的荷载，如导线、地线张力在垂直横担或地线支架方向的分量等。垂直荷载是垂直于地面方向的荷载，如导线、地线重力等[3]，由外部作用引起的结构内力比较复杂，是轴力、弯矩、扭矩和剪力联合作用相互叠加的情况，本文采用钢管杆设计系统软件(NSA)对整塔结构进行有限元分析计算，并利用通用有限元软件(ANSYS)对其结果对比分析。

1 钢管杆的结构特性

1.1 钢管杆的截面及分段

根据钢管杆主杆断面特性分析，圆形断面的截面抵抗矩最大、受力性能最好，材料相对耗用较小，但是其加工难度也最大；除圆形断面外，正多边形断面也有广泛的应用(包括正十六边形、正十二边形、正八边形)，各种钢管杆主杆断面形式在DL/T 5130-2001《架空送电线路钢管杆设计技术规定》[3]中都有所推荐。对于直线杆和小转角杆截面形式可以采用正八边形或正十二边形，从设计合理和经济效益角度考虑，钢管杆壁厚是逐渐变化的，这就要求对钢管杆主杆进行分段，而分段长度又受施工运输和镀锌工艺的限制，根据以往的工程经验，分段长度一般控制在10 m左右，一基钢管杆中部法兰数量不宜超过4个。本工程所采用的220 kV双回路钢管杆全长为38 m，共分为4段，从上到下杆段长度分别为：第1杆段9 m、第2杆段9 m、第3杆段10 m、第4杆段10 m，具体情况见表1, 各杆段采用外法兰连接方式。

大转角杆和终端杆可以采用正十六边形或圆形。本工程所采用的220 kV双回路钢管杆，荷载大、受力复杂，综合考虑设计、加工等因素，最终确定主杆断面采用圆形截面。

表1 220 kV双回路钢管杆主杆信息 mm

1.2 钢管杆的根径、梢径及锥度

从钢管杆的截面特性计算公式可知，根径和梢径的大小对钢管杆挠度控制有直接影响：根径和梢径越大，截面惯性矩越大，抗弯能力越强，在水平力作用下，其挠度会变小；相比于根径和梢径，主杆厚度对钢管杆的挠度影响较小。钢管杆的锥度主要与外部荷载大小有关，直线杆和小转角杆的锥度小一些，大转角杆的锥度要大一些以抵抗外力；在满足挠度要求的前提下，适当减小锥度，既能减少材料用量又可以使整个结构美观。钢管杆的锥度取值，需根据根径、梢径的大小以及挠度控制要求，综合分析确定，力求达到“适用安全、经济美观”的八字方针。

一般直线杆的梢径取250～400 mm，锥度取1/75左右；转角杆一般根据不同的转角度数，梢径取300～800 mm，锥度取1/65～1/35[4]。本工程所采用的220 kV双回路转角钢管杆梢径取400 mm，锥度取1/63。

1.3 材料选用

钢管杆的材质一般采用Q235和Q345，对于承受较大荷载的钢管杆也可采用Q390。钢管杆在外部作用下，会产生压缩变形、弯曲变形以及扭转变形，通过使用高强度钢材(Q390)，可以提高结构的抗压、抗弯、抗剪和抗扭强度，从而节省材料用量；但是，采用强度高的材料会使结构的延性降低，尤其是在低温区可能会发生脆性断裂。低强度钢材(Q235和Q345)虽然用料多，但结构延性好，目前在工程中仍被广泛运用。本工程位于蒙东地区，最低温度为-40℃，结合以往的工程经验，经综合对比、分析，钢管杆最终采用Q345钢材。

2 钢管杆的结构设计

2.1 设计条件

本工程采用电压等级为220 kV的钢管杆，双回路架设，导线型号为2×JL/G1A-240/30钢芯铝绞线，地线型号为JLB20A-120铝包钢绞线以及24芯光纤复合架空地线OPGW-120；导线安全系数取8.0，地线安全系数取10.0。钢管杆的水平档距、垂直档距均为150 m，设计呼高为21 m，全高为38 m，上相、中相和下相导线的风压高度系数分别为1.23、1.14以及1.04，地线风压高度系数为1.28。本工程设计风速为28 m/s，导线最大覆冰厚度取10 mm，地线最大覆冰厚度取15 mm，最高气温为+40 ℃，最低气温为-40 ℃。

2.2 荷载组合

钢管杆应计算线路正常运行情况、断线(含分裂导线时纵向不平衡张力)情况和安装情况下的荷载组合，必要时尚应验算重冰区不均匀覆冰等稀有情况。本工程双回路钢管杆采用的荷载组合情况如下[3]。

2.2.1 正常运行情况的荷载组合

正常运行情况的荷载组合考虑以下3种工况：最大风、无冰、未断线；最大覆冰、相应风速及气温，未断线；最低气温、无冰、无风、未断线。

2.2.2 断线情况的荷载组合

断线情况的荷载组合考虑以下2种工况：同一档断任意两相导线、地线未断、无风、无冰；断任意一根地线、导线未断、无风、无冰。

2.2.3 安装情况的荷载组合

应按10 m/s风速、无冰、相应气温的气象条件下荷载组合安装，锚地线、锚导线，紧地线、紧导线时考虑以下2种工况：锚地线时，相邻档内的导线及地线均未架设；锚导线时，在同档内的地线已架设。紧地线时，相邻档内的地线已架设或未架设，同档内的导线均未架设；紧导线时，同档内的地线已架设，相邻档内的导线已架设或未架设。

2.3 计算过程及结果

NSA用于由梁元和/或桁元所组成的构架分析，特别适用于钢管杆分析计算[5]。其计算主要过程如下：快速输入主柱钢管杆，计算荷载并导入，输入计算控制参数，有限元计算，浏览、阅读计算结果。

根据钢管杆基础数据输入方法的不同，分为手工输入分段数据和快速输入钢管杆数据两种方法。手工输入分段数据的方法，需要用户手工输入分段数据，并输入杆件力学参数及连接杆件等数据，操作比较复杂；快速输入钢管杆数据的方法，用户可以快速的输入节点、杆件以及相应的杆件连接数据等，在用户输入基础数据完成后，系统自动填写杆件力学参数和连接数据，操作简便、节省时间，是推荐的一种建模方式[6]。

建立钢管杆计算模型后，需对其施加外部荷载，有用户手工输入集中荷载和程序自动计算两种方法，根据需要，用户也可以两种方法结合使用，以提高工作效率。节点荷载输入完毕，填写控制参数，之后进行有限元分析计算，用户可以在【高级直接操作】菜单下选中【1.显示全部计算结果(A)】查看有限元计算成果。本工程各杆段最不利受力情况以及应力比见表2, 各杆段扭矩为0。

表2 NSA计算结果

3 ANSYS有限元分析

3.1 有限元模型

有限元模型采用Shell 181单元。它是一个4结点单元，每个结点具有6个自由度：x方向、y方向、z方向的位移自由度和绕X、Y、Z轴的转动自由度，适合对较薄或有一定厚度的壳体结构进行分析；Shell 181单元非常适用于结构非线性大变形分析，在该单元应用范围内，完全积分和降阶积分都是适用的[7]。采用多点刚性约束(MPC)的方法来模拟杆件端部法兰连接，这种方法可以将外力均匀的传递到构件上，避免产生应力集中现象。

本文对钢管杆第4杆段进行ANSYS有限元建模分析，顶、底端直径为1 284 mm和1 600 mm，壁厚为12 mm，钢管杆断面为圆形。对底部所有节点进行固定约束，用来模拟固定端；顶部采用MPC，并对关键点施加外力。分3个荷载步对模型进行轴力、剪力、弯矩的施加，具体数值见表2；通过迭代计算，得到杆件的应力分布以及最大应力值。所采用的Q345钢材主要力学性能指标为：屈服强度为310 MPa，弹性模量为206×103MPa，泊松比为0.3。

3.2 计算结果及结果分析

加载计算完成后，通过后处理器，提取模型的等效应力云图(见图1)。可以看出：弯矩作用平面内的应力最大、平面外应力最小，说明钢管杆主要是由弯矩作用控制；钢管杆变形为弯曲变形，延性好，能为架空线路的安全运行提供可靠保障；杆件最大应力为266 MPa，相应的应力比为85.81%，与NSA计算结果比较吻合。

图1 钢管杆有限元等效应力云图

4 结论

本文利用NSA对兴安-音德尔II回220 kV线路工程双回路转角钢管杆进行建模计算，并利用ANSYS对其结果进行对比分析，得到了以下一些结论。

a.钢管杆主杆控制工况为大风工况，以弯曲变形为主，延性好。

b. ANSYS中的Shell 181单元能有效模拟薄壁杆件受力状态，在解决许多收敛困难问题上，比低阶单元更有优势。

c.采用MPC方法模拟钢管杆法兰连接，可以避免试件端部的应力集中现象；从试件的应力分布来看，这种施加约束的方法可以较真实地反应试件的约束状态，值得推广使用。

d.NSA计算结果与ANSYS分析结果比较吻合，计算误差在0.5%以内，可根据工程实际情况，选取本软件进行工程设计。