钢管尺寸对架空输电线路钢管塔承载稳定性的影响研究

蒋 锋，张 辉，洪亦君，陆 斌，李振功

(1.湖州电力设计院有限公司，浙江 湖州 313002；2.国网安吉县供电公司，浙江 湖州 313299)

架空输电线路是电力系统极为重要的基础建设工程，是电力网络安全运行的骨架。为防止架空输电线路杆塔倒塌事故的发生，研究杆塔承载稳定性具有深远意义，钢管塔作为架空输电线路铁塔的一种塔型，在电力网络中起到重要作用[1-4]。

通过查阅相关文献，王孟等研究了钢管塔关键受力塔材应力及重要节点位移等随荷载变化的规律[5]；王璋奇等分析了不同斜材模型对窄基钢管塔振动频率的影响[6]；汪楚清等对大跨越钢管塔进行多尺寸有限元分析[7]；邓洪洲等提出了一种适应于钢管塔的新型内外法兰节点连接方式，并对该节点进行有限元模拟分析[8]。

本文通过ANSYS有限元结构分析软件建立钢管塔模型，分析钢管尺寸对钢管塔体承载稳定性的影响，可为输电线路设计提供参考。

1 工程概述

浙江省湖州地区某一双回路架空输电线路工程，需建高为15 m的钢管塔，其铁塔根开6 m，塔腿高4.5 m，塔身段高10.5 m，组立塔体的钢管采用Q345级钢。

2 工况分组

影响钢管正截面尺寸的参数主要有壁厚和内径。工况分组时分为2种情况：钢管壁厚不变，钢管内径不同；钢管内径不变，钢管壁厚不同。

a.钢管内径不同

钢管壁厚为5.00 mm保持不变，钢管内径不同为第1种模拟情况，钢管内径为1.00～6.00 mm，每差1.00 mm作为1组工况，共分为6组工况，如表1所示。

b.钢管壁厚不同

钢管内径为5.00 mm保持不变，钢管壁厚不同为第2种模拟情况，钢管壁厚为1.00～6.00 mm，每差1.00 mm作为1组工况，共分为6组工况，如表2所示。

表1 钢管内径不同工况分组 单位：mm

表2 钢管壁厚不同工况分组 单位：mm

3 钢管塔有限元模拟分析

3.1 建立模型

建立双回路钢管塔模型[8-9]，如图1所示。钢管塔整体结构采用Baam188单元，钢材密度为7.85×10-9t/mm3,弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，屈服强度为345 MPa，塔体节点采用刚性节点连接。

3.2 承载稳定性分析

由于风荷载方向和大小不固定，在有限元承载力分析时忽略风荷载对塔体的作用。钢管塔承受导地线、绝缘子串、防震锤、线夹等直接或间接荷载，将此类荷载简化为横担外沿钢管2节点处的2个大小为500 N的竖直向下集中荷载。钢管塔4条塔腿最底端分别施加4个Ux、Uy、Uz3个方向约束作为边界条件。假定钢管塔主材、斜材和辅材均采用同一截面尺寸的钢管杆，钢管塔整体承载稳定性采取五阶屈曲模态分析[10-11]。

(a)正立面

a.钢管内径不同的影响

钢管壁厚5.00 mm保持不变，改变钢管内径尺寸，对钢管塔模型进行有限元分析，工况1的五阶屈曲模态图如图2所示，由工况1-6的五阶屈曲模态图可知，一阶和三阶屈曲下的塔体最大位移大于其他阶；二阶、四阶和五阶屈曲下的位移近似相同，表明一阶和三阶屈曲对钢管塔稳定承载力的影响最大。

b.钢管壁厚不同的影响

钢管内径为5.00 mm保持不变，改变钢管壁厚尺寸，对钢管塔模型进行有限元分析，工况7的五阶屈曲模态图如图3所示，由工况7-12的五阶屈曲模态图可知，一阶和三阶屈曲对钢管塔稳定承载力的影响最大。

3.3 数据分析

根据上述12组工况的五阶屈曲模态图整理得到的数据，分别绘制不同钢管内径和不同壁厚的屈曲位移关系折线图，如图4和图5所示。由图4和图5可知，钢管内径越大、钢管壁越厚，钢管塔承载稳定性越好。

(a)一阶屈曲模态图

(a)一阶屈曲模态图

图4 钢管内径不同的屈曲位移关系

图5 钢管壁厚不同的屈曲位移关系

4 结论

a.钢管塔在一阶和三阶屈曲模态的承载稳定性最差，应避免这种受力状态出现；二阶、四阶和五阶屈曲模态的承载稳定性较好。

b.钢管内径越大、钢管壁越厚，钢管塔整体承载稳定性越好，符合细长杆件截面越大稳定性越好的理论。

c.钢管尺寸对钢管塔承载稳定性有显著影响，因此对生产厂商应严格管控，避免未经检测合格的钢管塔出厂销售，对施工方运输及现场堆放也应严格执行有关施工技术方案。