耐候钢杆塔真型试验与数值仿真研究

张金锋，刘 军，杨 进，汪志强，李 鑫

(1.国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230061；2.安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽 合肥 230022；3.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引 言

输电铁塔作为电网中重要组成部分，也是重要的生命线工程，直接关系到人民的生活质量和国家的各项工程建设[1]。目前，我国输电铁塔主要采用热浸镀锌防腐，镀锌过程容易产生大气和土壤污染，危害人员身心健康。20世纪五六十年代，美国和日本研发了一种高耐腐蚀性能钢材，其耐腐蚀性能是普通钢材的2～8倍[2,3]，并成功将免镀锌的耐候钢材应用在输电铁塔上[4]。近年来，国内开始逐步开展耐候钢研发工作，在耐候钢生产、铁塔设计和制造、工程应用上取得了一系列成果，2009年在厦门220 kV梧侣-内官线路中完成2基冷弯耐候角钢塔试点应用[5]，2018年在安徽亳州夏湖-高堂110 kV输电线路工程成功应用62基耐候角钢塔[6]。

为保证新设计的铁塔能够满足工程应用要求，我国电力行业标准《架空输电线路杆塔设计技术规定》明确了采用新材料或新结构形式需进行试验，以验证其承载能力是否达到设计要求[7]。真型试验是检验杆塔结构设计准确性的重要手段[8]，但往往周期长、成本高，而采用数值仿真研究方法可避免这些缺点[9,10]。本文采用试验与数值仿真相结合的研究方法，对8种工况下耐候钢杆塔构件应变及整体位移进行对比分析，深入研究了不同荷载作用下输电杆塔受力性能及变形特性，这对于提高耐候钢铁塔的设计水平，保障线路安全运行具有较强的理论价值和工程意义。

1 杆塔真型试验概况

为验证耐候钢杆塔在各种荷载组合工况下，杆塔的结构优化及计算结果的正确性，检验输电塔节点构造的合理性，摸清各种受力状态及变形影响，特进行现场真型试验与数值仿真验证，以确保塔的整体强度、刚度能够满足规范和工程要求，达到线路安全可靠运行的目的。本试验在中国电力科学院良乡试验基地完成，现场真型试验如图1所示。

图1 真型试验现场照片

1.1 试验塔设计条件

试验塔的设计基本参数见表1。

表1 试验塔设计条件

1.2 试验荷载组合

根据《架空输电线路杆塔设计技术规定》相关规定，在正常运行、安装运维、不均匀覆冰和事故断线四大类基本工况中仅各挑选几个代表工况进行试验，具体试验工况见表2。

表2 试验工况

由于加荷塔的加荷点位置所限，部分加荷点的位置与其对应的被试塔的荷载位置不一致，这时加荷绳将产生斜向荷载，出现水平或垂直分力。为保证被试塔各荷载作用点所受荷与试验方案的要求相符，试验前将各工况设计荷载值换算到对应的加荷钢丝绳所受荷载(力传感器示值)，称为试验荷载。此外，对于部分有角度偏离的斜向加荷点的荷载值做了必要的调整和换算。

1.3 加载方式及测点布置

工况1至工况7按0%—50%—75%—90%—95%—100%—50%—0%的试验荷载进行分级加载，每级荷载持续1分钟后进行数据测量。工况8为超载工况，先分级加载到100%试验载荷，再以每级5%的试验荷载递增，直至试验铁塔破坏。

试验载荷通过连有测力传感器的钢丝绳与加荷用液压缸相连，将水平荷载、导线张力荷载及垂直荷载等效为横向荷载、纵向荷载及垂直荷载，逐步施加到杆塔各指定荷载作用点上。位移测量采用徕卡全站仪，应变测量采用静态应变数据采集仪。试验塔测点布置图如图2所示，u1～u12为位移测点，对每个测点横向位移、纵向位移和垂直位移进行检测；s1～s25为应变测点，应变片的贴片方式如图3所示，其中s22和s24每个测点贴6个应变片，其余测点贴1个应变片。

图2 杆塔测点布置

图3 测点应变片布置

2 杆塔数值模型建立

采用通用有限元软件ANSYS建立模型。输电铁塔通常采用角钢组合而成，主材与斜材一般采用连接板和螺栓连接，连接节点具有一定的刚度，主材与斜材同时承受轴力、剪力、弯矩及扭矩；辅助材与主材或斜材直接通过螺栓连接，一般只受轴力。根据结构杆件的受力特点，采用梁-桁混合模型建立杆塔数值模型。对于输电塔上需要承受弯矩的杆件如主材及斜材，选用梁单元BEAM188，每300 mm 划分1个单元；辅材只承受轴力，选用杆单元LINK180 来模拟，每根辅材划分1个单元。整体模型共1 097个单元、430个节点。主材与斜材连接采用刚性连接，辅材与主材或斜材连接采用铰接，塔脚底部采用刚性约束。

模型所有构件材料的弹性模量为2.06×105MPa，密度为7.85×103kg/m3，泊松比为0.3，主材与斜材采用Q415NH钢，设计强度值f=356 MPa，辅助材采用Q355NH钢，设计强度值f=305 MPa。试验塔数值模型如图4所示。

图4 试验塔数值模型

3 试验与计算结果分析

结合杆塔真型试验数据及数值仿真分析结果，对二者应变及位移进行对比分析，可为后续杆塔的设计优化提供参考。

3.1 杆塔应变分析

为考察塔腿及腿部横隔位置应变情况，选取图2中应变监测点s22和监测点s24进行应变分析，应变比较时采用计算轴向应变结果与试验测试结果中的100%加载应变测试结果减去卸载后(0%)的残余应变后的弹性应变的均值进行对比。各工况下真型试验所测数据及数值计算所得结果见表3。

由表3可知，监测点s22和监测点s24的应变最小值均位于工况2处，最大值位于工况8处。监测点s22的应变最大值为-1036.2，最小值为-510.5；监测点s24的应变最大值为-997，最小值为-513.0。工况8测点s22和s24应变均达到最大，证明将其确定为超载工况是合理的。铁塔应变计算结果与试验测试结果的最大偏差为15.46%，最小值为1.01%，各工况下杆塔应变数值仿真计算值与试验值吻合性较好。

表3 杆塔应变试验及计算结果

3.2 杆塔位移分析

选取图2中位移监测点u1(塔顶)进行位移分析，其x方向、y方向、z方向的试验值和计算值见表4～表6。

表4 监测点u1 x方向位移试验及计算结果

表5 监测点u1 y方向位移试验及计算结果

表6 监测点u1 z方向位移试验及计算结果

由表4可知，监测点u1 试验值x方向位移最大值为277 mm，位于工况7；最小值为-13 mm，位于工况3。

由表5可知，监测点u1 试验值y方向位移最大值为193 mm，位于工况3；最小值为1 mm，位于工况6。

由表6可知，监测点u1 试验值z方向位移最大值为-34 mm，位于工况6；最小值为-12 mm，位于工况4。

杆塔位移计算值与试验值偏差最大值为448.1%，位于工况3；最小值为0.9%，位于工况6。部分试验值与计算值存在较大偏差，产生偏差可能有以下原因：

(1) 铁塔构件之间多采用螺栓连接，试验加载可造成螺栓滑移，而数值仿真未考虑此滑移。

(2) 铁塔试验过程中的所有工况下的位移测量值均为单次测量，存在较大的测量误差。

为考察试验塔整体变形情况，以工况8获得的试验数据为分析对象，试验塔整体位移如图5所示。

图5 试验塔整体横向位移

从图5中可以看出，工况8各荷载等级下试验塔横向位移以测点u3(测点高度15.5 m处)为界呈现上大下小的特点，在测点u3存在突变。荷载由50%增加到130%时，测点u1横向水平位移由112 mm增加到388 mm，增加246.6%；测点u2横向水平位移由78 mm增加到228 mm，增加192.3%；测点u3横向水平位移由23 mm增加到71 mm，增加208.7%；测点u4横向水平位移由5 mm增加到9 mm，增加仅80%。测点u3以上变形较大，以下变形较小。这主要是铁塔在测点u3以上塔身坡度小(刚度相对小)引起的变形突变。

3.3 极限承载分析

试验塔按照工况8加载至100%试验荷载后，再按每级5%试验荷载递增，当荷载加载至140%时，试验塔东南腿主材与塔脚板连接螺栓发生剪切破坏，破坏形式如图6所示。此时测点s22和s24测得应变平均值分别为-1789.2με、-1834.7με，塔腿处应变值达到最大，此时塔腿主材应力约377.9 MPa，大于设计强度值356 MPa。考虑到试验塔达到140%试验荷载后发生塑性变形，对其进行非线性静力分析，得到测点s24位置相应处杆件应力最大约398 MPa，与实测值接近，同样验证了试验塔东南腿发生破坏。

图6 试验塔破坏形式

4 结 论

本文通过对杆塔进行真型试验及数值仿真计算，分析了杆塔在不同工况下的应力及应变情况。根据前文结果可知，铁塔位移、应变及极限承载计算结果与试验测试结果对比分析，可以得到如下结论：

(1) 试验塔通过了工况1～7加载，未发生杆件失效。工况8加载至140%试验荷载时试验塔发生破坏，试验测得该塔型极限承载力约为135%试验荷载，具有较大的安全储备，满足设计要求。

(2) 塔腿处试验平均应变值与数值仿真计算值最大偏差为15.46%，最小偏差为1.01%，各工况下杆塔应变计算值与试验值吻合性较好。

(3) 铁塔变形以变坡位置为界呈现上大下小的特点，这与塔身变坡以上刚度小、变坡以下刚度大直接相关。

目前的仿真结果总体来说与试验结果吻合较好，考虑到试验结果的误差和离散性，后期将进行更为细致的模型修正和数据对比，以保证有限元模型的精度。