风载作用下材料参数对电缆终端杆塔力学特性的影响

2022-11-09蔡冰冰韩承永盛金马朱晓峰葛宜俊杨进刘爽汪亦显

安徽建筑 2022年10期

蔡冰冰，韩承永，盛金马，朱晓峰，葛宜俊，杨进，刘爽，汪亦显

（1.安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽合肥 230031；2.安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽合肥 230041；3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

1 引言

我国东部地区经济快速发展，但能源匮乏且用电负荷相对集中，造成了能源资源与电力电荷分布不均匀的现状，随着西部地区的能源开发与输送能力的发展，极大程度地推进了西电东送工程的落实与发展[1]。高压输电工程关系到社会生存发展的大计，城市输电线路中电力电缆与架空线相连接，构成了城市电网中的“电缆-架空线”混合线路，其中电缆终端杆塔就承担着城市架空线路向电缆转化的作用。电缆终端杆塔属于高耸建筑物，因此，所处的环境风载荷比较大，终端杆塔又属于风敏感结构，对杆塔的构造强度与稳定性有着较高的要求[2]。

基于此，国内外学者完成了很多关于输电杆塔在风载荷下的稳定性与可靠度研究。张博[3]通过对不同风荷载条件下输电杆塔的应力分布特征进行有限元分析，研究了相应风荷载条件下输电杆塔的结构稳定性。刘慕广[4]利用风洞试验与荷载响应相关法对杆塔进行等效对比分析，结果表明，建立的基于气弹模型位移响应来识别输电塔结构等效静风荷载的试验分析方法合理、有效。窦汉岭[5]采用谐波合成法在Matlab 中模拟出风荷载，通过Newmark法对转角输电塔线体系的风振响应进行时程分析，研究得出杆塔的风振特性。侯景鹏[6]运用有限元软件分析输电塔在静力风荷载下的非线性稳定性及各级动力风荷载下的瞬态变化，采用B-R 准则和位移相等准则判断动态失稳并以理论验证，结果表明，脉动风对结构稳定性影响较大。杜伟[7]采用有限元法对各种加固方案进行应力强度计算和局部稳定性分析，并给出了加固杆件的设计及节点连接方式的构造措施。张琳琳[8]应用概率密度演化方法对某输电塔结构受风荷载作用下的动力可靠度进行了分析，结果表明，概率密度演化方法可以准确、有效地分析风荷载作用下输电塔结构的动力可靠度。

通过分析电缆终端杆塔的构造与材料参数，在有限元软件中进行终端杆塔杆件材料参数的定义，考虑终端杆塔在自重与静力风荷载共同作用下的受力情况，通过有限元分析结果研究得出杆塔反映出的力学特性，并通过分析结果找出终端杆塔在风载作用下的薄弱部位，最终得到电缆终端杆塔杆件材料参数与杆塔自身抵抗风载的强度与稳定性的关系。

2 杆塔有限元模型的建立

2.1 杆塔模型简介

电缆终端杆塔是将架空线与电力电缆相连接的塔形结构，按照电缆终端布置形式的不同，将电缆终端塔分成电缆终端站（电缆终端塔有电缆终端头安装在地面立柱上）、承台式冲油电缆终端（电缆终端头安装在塔身电缆终端承台上）和户外干式柔性终端（电缆终端头安装在塔头横担处）三种主要形式。电缆终端杆塔较耐张型输电杆塔以及转角型输电杆塔而言，具有承担不平衡张力等更为严苛的受力条件。根据常见形式的电缆终端杆塔结构特点，不考虑导线对终端杆塔的荷载作用，单独选取其相同的主体塔身等部位作为有限元分析对象。

2.2 杆塔的有限元单元与边界条件

一般而言，电缆终端塔通常都是由角钢组合而成的杆件，通过螺栓以及连接板组成的连接点相互连接构成。通过对模型进行简化，以达到加快结果收敛速度进而提高计算精度的目标。在模型边界条件方面，约束终端杆塔四个塔脚的所有位移，使之与大地刚接。为了使螺栓与连接板组成的连接点具有传递弯矩的作用，将其简化为刚节点。在节点单元建立方面，将终端杆塔的杆件简化为梁单元进行模拟计算，如图1所示。

图1 终端杆塔有限元模型

本文案例采取的电缆终端杆塔塔高41.5m，且终端杆塔的杆件材料参数分别从其截面与材料特性两方面进行研究，分别对终端杆塔的主材、斜材和辅材给予不同的角钢截面面积与材料参数，形成对应的模拟工况，如表1所示。

终端杆塔材料参数工况表表1

3 终端杆塔自重与风荷载的计算及加载

终端杆塔所承受的荷载可分为杆塔自重产生的垂直荷载和风产生的水平荷载。本文采取Midas/Civil软件对电缆终端杆塔进行力学特性分析，由于软件能根据所确定的单元参数自动对杆塔模型进行自重计算，因此只需要确定构成模型中杆件的截面特性与材料参数。由《架空送电线路钢管杆设计技术规定》与《输电杆塔及基础设计》可知，风荷载随着构造物的高度不同，相应风速也会不同，所以杆塔在每个高度处所产生的水平荷载也会不同[9]。电缆终端杆塔布置在输电线路中需要由架空线路转下接电缆敷设的各个地区与环境中，因此终端杆塔会由当地的气候环境影响，承受着不同角度以及不同风速的风荷载的作用。按照规范标准计算，根据每个地区都有对应的风载标准值，再依据相应规范中的风荷载计算公式将其转化为集中力，最后对终端杆塔塔材节点进行相应力的施加。

电缆终端杆塔自重荷载以及风荷载的计算公式均采用上述规范与文本。因此，终端杆塔重力荷载按照软件自带的计算功能，在每个单元施加。风荷载简化为集中力，均匀分布至主材迎风面的各个节点上[10]，如图2所示。

图2 终端杆塔风荷载施加方式

4 自重与风荷载作用下杆塔的模拟

考虑材料参数对杆塔自身的重力荷载产生的影响，对相应工况的终端杆塔施加不同攻风角与风速的静态风荷载进行数值模拟分析。终端杆塔需要在不同攻风角的风荷载作用下，保持杆塔自身的稳定性，更要保证杆塔在承受不同条件风荷载的同时而不被破坏[11～12]。模拟施加的风荷载采用20m/s 的风速，攻风角采取0°与90°两种不同角度。利用规范要求中的风载计算规定，将风速换算成节点荷载施加在杆塔模型上，得出不同材料参数的电缆终端杆塔在风载下的应力及位移。

图3是工况1条件下，在攻风角分别为0°、90°时的应力变形云图，根据杆件单元局部位移结果可知，两种攻风角风载下最大应力变形均出现在杆塔背风处的塔腿主材，此处塔腿主材杆件受到风荷载与重力共同作用出现受压状态。此外，两种攻风角情况下，塔腿迎风处以及背风处最下端连接两根塔腿主材的横材，均出现较大的位移，二者位移方向均偏向杆塔中轴线，说明风荷载作用下，此处是杆塔薄弱点，应当注意对杆塔此处的加固。

图3 与图4 表示工况1 至工况5 条件下，在攻风角为0°情况下的总应力变形云图，由图可以看出，所有工况在风载作用下，杆件发生受压的最大应力均大于受拉时的最大应力，相同风荷载作用下，杆塔最大拉应力出现在工况4 的90°攻风角风载条件下，其值为63.21MPa，杆塔最大压应力出现在工况3 的90°攻风角风载条件下，其值为123.22MPa。此外，相同风速情况下攻风角为0°时，杆塔的最大应力及位移均小于90°攻风角时杆塔的最大应力及位移，由于在施加风荷载时0°攻风角条件的迎风面风载施加节点数要少于90°攻风角条件时的节点数，导致在相同风速下杆塔受力大小出现差异，这也是导致前者对杆塔产生的应力与位移普遍小于后者的重要原因。

图3 两种攻风角下工况一的杆塔应力变形云图

图4 攻风角为0°时各工况的杆塔应力变形云图

杆塔在各工况条件下的最大位移均出现在电缆终端杆塔的塔顶部位，最大应力均出现在杆塔的下部塔腿处，电缆终端杆塔的这两处均是杆塔在受到风载作用下最容易受到破坏的部位。此外，在塔身下横担与塔腿主材相连的坡面过渡处也出现相对较大的应力变形与位移。因此，在杆塔设计及施工时应当注意对上述部位的加固处理，终端杆塔在检修时也应当着重注意这些部位的杆件质量检查。

由表1 与表2 可知，工况1 与工况2反映了杆塔主材材料对杆塔在风载作用下产生的影响，从杆塔应力与位移结果可以看出，主材材料特性对杆塔在风载下所起到的影响较小；工况1与工况3反映了杆塔主材截面面积对杆塔在风载作用下产生的影响，且在主材所用杆件的截面积相对减小后，其中在90°攻风角的风载条件下工况3 杆塔的应力与位移在所有工况中是最大的，其中最大应力值为123.22MPa，最大位移值为63.74mm，可以看出主材截面是影响杆塔在风载作用下产生变形与位移的重要因素，在杆塔设计施工时应当着重对主材截面的最优化选择。

各工况下终端杆塔的最大应力与位移表2

工况2 与工况4 反映了斜材以及横材截面对杆塔产生的影响，可以看出两工况中的斜材以及横材截面特性对杆塔造成的力学特性相比，后者在相同风荷载的作用下造成的应力变形与位移也越大，因此，斜材以及横材截面积的选择对加强杆塔抵抗风载的强度也起到了重要作用。工况2 与工况5 反映了杆塔斜材以及横材材料特性对杆塔产生的影响，在0°攻风角下杆塔产生的位移前后则相差2%，而90°攻风角下杆塔产生的位移前后则相差0.6%，从结果来看两工况杆塔在风载下产生位移几乎无差别。此外，在工况5 的0°攻风角条件下出现了最小应力与最小位移，其中最小应力其值为93.85MPa，最小位移其值为43.48mm，值得注意的是其余工况1 以及工况2 结果相比，三者的应力与位移数值十分接近。