断线张力下覆冰输电塔极限承载力研究

2022-04-20周骥靳建明

低温建筑技术 2022年3期

关键词：塔架杆件偏心

周骥，靳建明

（1.浙江江南工程管理股份有限公司，杭州 310007；2.浙江城建勘察研究院有限公司，杭州 311112）

0 引言

我国是冰冻灾害较为严重的国家，覆冰荷载下断线张力引起的倒塔事故已经成为输电线路受到破坏的最大灾害之一。由此造成了基础设施的严重破坏和社会经济的巨大损失［1］。

输电线路是以多分裂导线来输送电力。受冰冻灾害的影响造成了导线不均匀覆冰甚至导线断裂，进而产生了断线张力。这打破了输电塔的受力平衡，使其处于非正常的工作状态因而极易破坏［2，3］。

已有的研究成果基本采用有限元分析与结构试验相结合的方法［4-6］。但由于冰冻灾害下的载荷情况极为复杂，仅针对特定工况开展计算分析和试验研究仍不能充分认识输电塔架的力学特性。文中综合考虑了10种典型的加载模式，同时考虑了逐级增加的10种覆冰荷载，通过弹塑性状态下全过程的极限承载力分析力求实现对500kV猫头型输电塔的力学性能的充分认知。这也将为其他类型的输电塔的力学性能研究提供借鉴。

1 有限元分析

基于通用有限元软件，按空间刚架方法建立输电塔的计算模型，并采用空间梁单元BEAM188来模拟输电塔架的角钢杆件。BEAM188适用于分析细长的构件，它是两个节点的三维线性梁单元，在每个节点上有6个自由度，能很好地应用于非线性分析。对于输电塔架来说，BEAM188能很好反应塔架的自身特性。

输电塔杆件全部采用角钢，角钢的最小截面为L40×3，最大截面为L160×12，共采用了17种截面尺寸，有限元模型包括了544个节点和1368个梁单元。所有节点均设为刚接，基础为刚接基础。塔架所承受的水平张力均同步施加在两个地线及3个导线的悬挂点处。

分析过程中考虑了几何非线性和材料非线性。材料非线性的影响使得输电塔架的极限承载力显著降低［7，8］。模型采用Q235钢，弹性模量E=2.06×105MPa，屈服强度值fy=235MPa，极限强度值fu=375MPa。材料假定为弹塑性材料，服从Von-Mises屈服准则，按经典双线性随动强化理论考虑，将牛顿-拉斐逊方法（New⁃ton-Raphson）、线性搜索技术（LineSearch）、应用预测（Predictor）、自适应下降（AdaptiveDescent）等加速收敛技术有机结合，建立非线性平衡求解方法。收敛准则为不平衡节点力收效准则。

图1 输电塔结构及加载点

当输电塔覆冰以后，塔架中的构件截面面积由于冰的覆盖而显著增加，这使得塔架整体因增加覆冰而使自重明显增加。覆冰本身并不考虑参与塔架各杆件的受力，在此只考虑其质量对塔架的影响。结合冰的密度和钢材密度，通过赋予不同截面杆件换算后的质量密度来实现覆冰布置。不考虑塔架主材及辅材的弹性模量和泊松比的变化。

2 断线荷载的计算与加载模式

断线张力和覆冰荷载的取值主要参考了《110～750kV架空输电线路设计规范》［9］和《重覆冰架空输电线路设计技术规程》［10］。考虑输电塔架在有冰、无风气象条件下的10种加载模式，并分析输电塔架在不同覆冰厚度的情况下承载性能受到的影响，加载模式如表1所示。

输电塔架模型为四分裂导线直线塔，地形处于平原地区，设计覆冰为20mm，无风，-5℃，覆冰率考虑100%。导线、地线在挂点的设计安全系数不应小于2.25，地线的设计安全系数不应小于导线的设计安全系数。由《110～750kV架空输电线路设计规范》和《重覆冰架空输电线路设计技术规程》，导线断线张力标准值为47kN，地线的断线张力标准值为30kN。以此为基础计算输电塔架的线性屈曲模态。采用一致缺陷模态作为初始缺陷施加于结构，考虑最大变形取塔架高度的1%。为考虑覆冰荷载在极端情况下对输电塔架承载性能的影响［11，12］，计算的最大覆冰厚度为120mm。

如表1所示，10个加载模式可分为3种类型：无偏心加载（工况：1、4），偏心加载（工况：2、3、5、6、7、8）和扭矩加载（工况：9、10）。后续计算表明，在偏心加载情况下，工况2、7的扭转效应较为明显。

表1 加载模式

3 多模式加载下输电塔架极限承载力及破坏形式分析

结构的荷载-位移曲线能很好的反应结构在弹性、弹塑性和极限状态下的承载性能［13-15］。工况2荷载-位移曲线的纵坐标为单根地线的断线张力大小。在其它加载模式下，荷载-位移曲线中纵坐标均为单根导线的断线张力值大小。极限分析过程中，导线和地线张力按其断线荷载标准值比例逐步增加。通过各加载模式下输电塔结构的荷载-位移曲线及结构变形应力云图发现500kV猫头式输电塔架的破坏形式主要分为3种，如表2所示。

表2 设计覆冰荷载及各加载模式下的破坏形式

在20mm和80mm覆冰荷载下，各加载模式极限承载力分析的荷载-位移曲线如图2所示，屈曲位置如图4所示。各加载模式及覆冰荷载下极限承载力分析的荷载-位移曲线如图5所示。

图2 20mm、80mm覆冰下荷载-位移曲线

图3 20、80mm覆冰下扭矩-转角曲线

图4 破坏模式示意图（单位：N/m2）

图5 部分工况下覆冰荷载对荷载位移曲线的影响

3.1 破坏形式分析

破坏形式1表现为塔架局部弯曲失稳破坏，破坏位置多集中在第一段塔腿，工况1、4、5、8为这种破坏形式。

工况1为无偏心加载，塔架延荷载方向发生弯曲变形，塔腿屈曲使塔架发生失稳破坏。工况4、5、8和工况1的破坏形式基本一致。虽然工况5、8为偏心加载，但扭矩的影响相对较小，其与无偏心加载的工况1、4破坏形式的主要区别是因为加载点的不同导致局部失稳位置发生变化见表2。

破坏形式2表现为加载点附近的辅材首先屈服，结构主体杆件逐渐进入塑性的强度破坏，工况3、6、7是这种破坏形式。

以工况3为例，加载方式为偏心加载。当断线张力逐渐增加时，塔架发生水平位移的同时还发生扭转变形，应力集中的位置在上悬臂加载点处。加载点附近辅材首先屈服，使其荷载-位移曲线的第一拐点较低。辅材屈服后，塔架整体开始了内力重分布，使得杆件进入塑性的区域向外扩散。随着塔架杆件内力重分布的不断开展，进入塑性的杆件不断增加，最终导致塔架破坏。从荷载-位移曲线的图示中发现，屈服平台有多个拐点，每一个拐点代表着一部分杆件进入塑性。工况6、7的破坏形式与工况3类似，其主要区别在于破坏位置的不同见表2。

破坏形式3表现为塔架发生较大的扭转变形，第一段塔腿斜撑及辅材的面外失稳导致塔架发生整体失稳破坏。工况2、9、10为这种破坏形式。

以工况2为例，受偏心加载影响，塔架发生较大的扭转变形。第一段塔腿发生侧向变形，斜撑和辅材产生较大的面外位移，撑杆对塔腿的约束大大降低导致塔架整体失稳。工况9、10的破坏形式与工况2基本一致。

3.2 扭转效应分析

为表明偏心加载及扭矩加载对塔架扭转承载性能的影响，绘制了20mm和80mm覆冰荷载下扭矩转角曲线，如图3所示。转角的计算取悬臂端加载点与等高度塔架形心两者在荷载方向位移的差值与悬臂长度的比值。

覆冰荷载的增加对输电塔架的扭转屈服转角影响很小。对比发现，在偏心加载或扭矩加载的模式下，输电塔架结构荷载-位移曲线在屈服台阶位置时，塔架扭转变形的转角较为接近，集中位于0.03～0.04弧度之间。这说明与整体弯曲变形能力相比，输电塔结构的整体扭转变形能力相对较弱。当输电塔受偏心加载时，塔架扭转到达一定的临界角度值时，塔架必然开始屈曲，直至最终破坏。

4 覆冰荷载对输电塔架承载性能的影响

由图5的工况荷载-位移曲线发现，覆冰荷载对不同加载模式下输电塔架承载能力和破坏形式的影响差异很大，基本可以划分为4种情况。

第1种类型：在无偏心的加载模式下，覆冰荷载导致输电塔结构的屈服点和极限承载力均大幅度降低，并且下降幅度存在加速趋势。工况1和工况4受到覆冰荷载的影响表现为这种类型。

输电塔结构的荷载-位移曲线只存在一个明显的拐点，可以认为此拐点即为结构的屈服点。随着覆冰荷载的增加，荷载-位移曲线的屈服点下降幅度较大，极限承载力基本保持着同步的降幅，并且在下降幅度存在加速趋势。结构的变形趋势仍然表现为整体弯曲变形。

第2种类型：在相对较小的偏心荷载下，输电塔架极限承载力存在较大幅度下降，但荷载-位移曲线第一屈服点受影响较小。工况3、工况5和工况6受到覆冰荷载的影响表现为这种类型。

随着覆冰荷载的增加，荷载-位移曲线的第一拐点变化较小。结合塔架的应力云图发现，第一拐点出现时加载点附近的杆件开始进入塑性。荷载-位移曲线存在多个拐点，每个拐点都意味着一部分杆件进入塑性。

随着覆冰荷载的增加，结构的极限承载力下载幅度较大，下降幅度同样存在加速趋势。比较不同覆冰荷载下输电塔架的屈服过程，在0mm覆冰和20mm覆冰下，结构的塑性内力重分布开展的最为充分。随着覆冰荷载的增加，输电塔架的塑性开展能力迅速下降，进入塑性的杆件范围也在迅速减小。结构的破坏形式逐渐由整体破坏转变为加载点附近的强度破坏。

第3种类型：在承受扭矩和较大偏心的加载模式下，输电塔架的扭转变形能力相对较弱，这使得覆冰荷载的增加对其承载能力的影响较不明显。工况2、工况9和工况10受覆冰荷载的影响表现为这种类型。

第3种类型与第1种类型相似，荷载-位移曲线存在一个明显的拐点即屈服点。随着覆冰荷载的增加，荷载-位移曲线的屈服点变化很小，极限承载力仅有较小幅度的下降。

第4种类型：在工况7和工况8的加载模式下，输电塔架的承载性能对覆冰荷载较为敏感，结构整体的弹性刚度明显下降，屈服点和极限承载力亦有较大幅度下降。

工况7的加载模式为同档同侧的导线和地线同步加载，这种加载属于比较极端的偏心加载。20mm的设计覆冰荷载使无覆冰荷载下的极限承载力产生了明显的下载，降幅达14%。工况8为同档异侧的导线和地线加载。

在设计覆冰荷载下，工况7和工况8结构整体弹性刚度比无覆冰荷载下均有大幅度降低，分别下降37%和31%。因此，这两种加载模式下输电塔架的承载能力对覆冰荷载较为敏感。

随着覆冰荷载的增加，工况7与工况8受覆冰荷载的影响与一般偏心的加载模式（工况3、工况5和工况6）较为接近。