220 kV猫头型输电塔在覆冰与断线耦合作用下的响应研究*

2023-05-25盛金马龚桢佳赵宝成

工业建筑 2023年2期

盛金马严波常江齐益龚桢佳赵宝成

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院, 合肥 230061; 2.国网安徽省电力有限公司, 合肥 230061;3.苏州科技大学土木工程学院, 江苏苏州 215011)

架空输电线路杆塔结构是国家生命线工程的重要组成部分,其在自然灾害下的承载能力是电网正常运行的保障之一。2008年和2011年初,我国南部多省电网因严重冰雪天气发生倒塔、断线、闪络等事故,导致大范围电网系统受到冲击和破坏,对人民生活和经济造成了严重影响。根据安徽电网调查统计:2008年,皖西大别山腹地±500 kV宜华线1146～1153号发生严重覆冰过荷载,最大等值冰厚达20.2 mm,造成4基杆塔倒塔;2015年,皖南山脉的500 kV官沥5365/山沥5366线221～225号发生严重覆冰过荷载,最大覆冰厚度达30 mm,造成导线掉线,绝缘子、金具损坏;2018年和2019年连续两年出现部分地区覆冰加重情况,对电网影响严重。可见,安徽地区杆塔的覆冰有逐年增长之势,严重覆冰引起的导、地线不平衡张力是倒塔的主要原因之一。因此,输电塔结构在覆冰与断线耦合作用下的响应研究具有重要的工程意义。

目前,架空输电塔在断线与覆冰耦合作用下的性能研究较少。李国荣[1]利用ANSYS有限元分析了500 kV猫头型输电塔在断线与覆冰耦合作用下的静力响应。谢强等[2]通过试验研究了500 kV输电塔子结构在覆冰荷载与水平荷载耦合作用下的破坏机理,分析了有、无横隔对子结构极限承载力的影响。李正良等[3]对输电塔子结构进行了静力加载试验,研究了不等边角钢交叉斜材的稳定承载力及破坏模式。夏正春等[4]利用有限元程序分析了输电塔在线路断线作用下的动力响应,分析了断线后各导、地线张力与导、地线支座反力的变化规律。沈国辉等[5]对大跨越输电塔绝缘子断裂的动力响应进行了研究,分析了导线跌落过程中输电塔内力的变化规律。胡位勇等[6]通过有限元分析了塔-线体系在不同断线工况下的受力特征,通过输电塔的应力峰值对其安全性进行了评估。严波等[7-8]利用ABAQUS有限元分析了500 kV超高压输电塔在电线脱冰作用下的动力响应。陈祺[9]对220 kV猫头型输电塔进行了有限元非线性屈曲分析,研究了风载作用下,风攻角对输电塔非线性稳定的影响。

输电塔在断线、覆冰或竖向与水平力同时作用下的研究主要采用有限元静力分析[10]或子结构静力加载试验,动力分析对于结构失效过程的分析存在局限性。本文利用ABAQUS弧长法(Riks)分析了安徽省4座存量220 kV猫头型杆塔结构在覆冰与断线耦合作用下的静力响应,研究了杆塔在覆冰与断线耦合作用下的承载力变化规律及内力、变形、应力的分布规律,分析了覆冰与断线荷载组合下各参数对4种塔型承载力及破坏模式的影响。

1 有限元建模

本文研究的4座输电塔均为220 kV猫头型悬垂杆塔,三相导线、两根地线,塔型分别为2B5-ZM2(42 m呼高)、2K1-ZM(36 m呼高)、2B10-ZMC2(33 m呼高)和ZM12(32 m呼高),如图1所示。杆塔主材、斜材与辅材均为等边角钢,主材和部分斜材采用Q345钢材,其余为Q235钢材。杆塔基本信息见表1。

表1 杆塔基本信息Table 1 Basic information of transmission towers

图1 杆塔单线图Fig.1 Schematic description of transmission towers

竖向荷载采用通用静力分析,包括塔自重与覆冰荷载、导线、金具、绝缘子在悬挂点产生的竖向荷载(沿Z轴加载)。覆冰荷载按照杆件覆冰厚度折算成杆件的等效密度,以重力方式施加[1]。悬挂点竖向荷载以集中力形式施加。纵向荷载(沿Y轴加载)采用弧长法(Riks)分析,根据断线情况,将不平衡张力施加至相应的加载点。Riks分析考虑了模型几何非线性及结构的初始缺陷,施加荷载为杆塔的设计荷载。引入初始缺陷前,先进行弹性屈曲分析。屈曲分析得到的前10阶屈曲模态均为杆件局部屈曲,引入初始缺陷幅值取杆件长度的1/1 000。

图2 杆塔有限元模型及边界条件Fig.2 The finite element model and boundary conditions

设计了96个有限元算例,基本信息如表2所示。每个塔型取4个覆冰厚度,前两个分别为每座塔19年冰区变化前、后的设计覆冰厚度,后两个覆冰厚度统一取重冰区覆冰厚度30 mm和60 mm。断线工况除了DL/T 5551—2018《架空输电线路荷载规范》[12]规定的断任意1根导线或地线外,还增加了断任意2根导、地线情况。6种断线工况使杆塔形成了受弯、受扭和受弯扭三种受力形式。算例命名形式为X-i-j,其中X代表塔型;i代表断线工况,i=1～6对应加载点及加载方向分别为1(+)、2(+)、3(+)、1(+)和4(-)、2(+)和5(+)、2(+)和5(-);j代表覆冰厚度。如2B5-ZM2-4-30表示杆塔2B5-ZM2的覆冰厚度为30 mm,在不同档距断加载点1和4处导线。杆塔断线荷载按每相导、地线最大使用张力分别乘0.4和1.0得到。2B5-ZM2、2B10-ZMC2、2K1-ZM2和ZM12导线断线工况下的不平衡张力分别为31.515,46.67,22.86,23.335 kN;地线断线工况下的不平衡张力中,前三座塔为43.65 kN,后一座塔为14.45 kN。

表2 杆塔有限元算例基本信息Table 2 Basic information of finite element examples tower specimens

杆塔的承载力曲线用LPF-D/H表示,纵坐标为水平荷载比例系数LPF,横坐标为塔顶侧移D与塔高H之比。杆塔在受弯、受扭和受弯扭下的弯矩、扭矩分布与变化规律主要聚焦于塔身,取塔身其中6层为对象,分析杆塔在受弯、受扭和弯扭下的弯矩、扭矩分布与变化规律。假设塔身变形符合平截面假定,将主材与斜材节点的竖向力乘以力臂得到该层弯矩M、主材与斜材节点的水平力乘以力臂得到该层扭矩T。其中,顶层弯矩和扭矩分别表示为M1和T1,底层的弯矩和扭矩分别表示为M6和T6。根据关键时刻的Mises应力、变形云图及内力分布与变化曲线,对杆塔受力特征进行研究;根据不同条件下杆塔的LPF-D/H曲线进行参数影响分析。

2 杆塔在覆冰与断线耦合作用下的响应

以算例2B5-ZM2-1-30、2B5-ZM2-3-30和2B5-ZM2-4-30为例对杆塔在覆冰与断线作用下的响应进行分析。3个算例的覆冰厚度均为30 mm,断线工况为“1”“3”“4”,分别对应杆塔受弯扭、受弯和受扭。

2.1 承载力发展规律

杆塔受弯承载力曲线如图3实线所示,可知,LPF值随D/H的增大而线性增长;当LPF达到2.69时曲线达到最大值,随后趋于水平。杆塔受扭承载力曲线如图3点划线所示,可知,当D/H小于0.28%时曲线线性增长;当D/H等于0.28%时LPF达到最大值1.71,随后开始下降。杆塔受弯扭承载力曲线如图3虚线所示,可知,LPF值在前期随杆塔侧向变形增加而线性增长;当D/H等于0.38%时曲线出现第1个拐点;当D/H等于0.46%时LPF达到最大值2.44,随后开始下降。杆塔受弯极限状态对应杆件应力达到屈服强度,随着单元的塑性发展加剧,有限元软件停止运算;受扭LPF达到峰值后曲线开始下降,说明杆塔发生了整体或局部屈曲;受弯扭承载力曲线在达到峰值前出现了拐点,但对结构承载力影响较小,随后曲线达到峰值并迅速下降,此时有杆件发生屈曲。从曲线发展规律可以看出,杆塔受弯延性最好、受扭延性最差。由于施加荷载不同,无法通过LPF值及曲线斜率比较三者的承载力和刚度。为进一步说明,将引入Mises应力云图和局部变形云图进行分析。

2B-5-ZM2-3-30; 2B5-ZM2-1-30; 2B5-ZM2-4-30。图3 受弯、受扭与受弯扭杆塔LPF-侧移角曲线Fig.3 LPF-drift ratio curves of towers under bending, torsion and bending-torsion

2.2 极限状态

图4a～c分别为算例2B5-ZM2-3-30(受弯)、2B5-ZM2-4-30(受扭)和2B5-ZM2-1-30(受弯扭)在D/H达到最大时的Mises应力和局部变形云图,其中U1代表杆塔的横向位移,反映斜材的面外变形。如图4a所示,受弯塔应力较大处为塔腿、塔身和塔头的主材,最大应力(345 MPa)出现在塔身底层的受压主材,此时杆件达到材料屈服强度。

如图4b所示,受扭塔应力较大处为塔头和塔身斜材,最大应力(320.6 MPa)出现在塔身顶层横隔处,未达到材料屈服强度;瓶口下方两层的斜材发生屈曲,形成两个半波,波峰处挠度分别为86.6 mm和40.8 mm。图5a为该支撑波峰处的挠度曲线,面外挠度在前期很小,当D/H达到0.25%时曲线出现拐点并开始陡增,此拐点的D/H与图3相应曲线峰值对应的D/H十分接近,认为此时杆塔发生了局部失稳。

如图4c所示,受弯扭塔应力较大处为塔头、塔身主材及位于断线侧的斜材,最大应力(332.9 MPa)处于塔身底层断线侧受压主材,未达到材料屈服强度;塔身3、4、5层位于断线侧的斜材有不同程度屈曲,其中第4层斜材面外挠曲最严重,波峰挠度分别为68.2 mm和62.5 mm。图5b为该支撑波峰处的挠度曲线,曲线值在前期很小,当D/H达到0.37%时曲线出现拐点并开始陡增,可认为斜材屈曲。该拐点的D/H与图3相应曲线第一次拐点对应的D/H一致,说明塔身中部斜材屈曲对承载力产生了一定影响,但未使承载力立刻下降。

a—2B5-ZM2-3-30(受弯); b—2B5-ZM2-4-30(受扭); c—2B5-ZM2-1-30(受弯扭)。图4 受弯、受扭与受弯扭杆塔的应力(Pa)与局部变形(mm)Fig.4 Stresses and deformation of towers under bending, torsion and bending-torsion

a—2B5-ZM2-4-30; b—2B5-ZM2-1-30。图5 杆塔斜材面外挠度-塔头侧移角曲线Fig.5 Relations between out-of-plane deflection of braces and sideway ratio of stories of tower head

2.3 内力分析

2B5-ZM2-3-30(受弯)的内力分布及变化规律如图6所示。由图6a可以看出,杆塔受弯时,同一层主材形成受拉和受压侧,竖向力大小由高到低逐渐增大。因塔受竖向荷载作用,同一层受压侧主材的竖向力大于受拉侧,各层竖向拉力和压力均匀分布。水平力由每层4个连接节点X、Y方向的分力表示,当杆塔Y方向水平力无偏心时,各层X方向内力大小相等、方向相反,如图6b所示。可以看出,受弯塔水平力相对较小,沿高度均匀分布,但塔头瓶口处水平力明显大于塔身其他部位水平力。

塔身各层弯矩M如图6c所示,M2～M6曲线斜率逐渐增大,且随D/H增大均线性增长,M1在加载初期大于M2,与M3几乎重合,D/H大于0.2%后曲线出现拐点,此后逐渐趋于水平,当D/H约为0.3%时,M1小于M2。塔身弯矩分布规律基本符合悬臂构件的受力特征,瓶口处虽然水平力较大但弯矩相对较小,对结构承载力影响不大。对于2B5-ZM2-3-30而言,塔身承载力曲线与弯矩变化规律基本相同,但未出现水平段,弯矩峰值与结构承载力最大值对应。

a—竖向力分布; b—水平力分布; c—弯矩变化曲线。图6 2B5-ZM2-3-30内力分布与发展规律Fig.6 Internal force distribution and development laws of 2B5-ZM2-3-3

图7a为2B5-ZM2-4-30(受扭)竖向力分布,因塔受竖向荷载作用,杆塔的竖向力均为压力,几乎每层的竖向力均匀分布。由于塔身顶端斜材发生屈曲导致该层竖向力分布不均匀,发生屈曲的斜材的节点竖向力几乎为0。由图7b可以看出,受扭塔水平力基本沿高度均匀分布,瓶口处的水平力明显大于塔身其他部位的。受扭杆塔的竖向力虽然大于水平力,但水平力对结构的影响更大。图7c绘制了塔身各层的扭矩T变化曲线,T1～T5变化趋势与图3曲线变化趋势相同,T1远大于其他曲线,T6在其他曲线达到最大值前几乎为常数,T2～T5逐渐减小。杆塔因断线受扭时,瓶口处的扭矩最大,该处由轴力承担扭矩的支撑的受力最大,竖向力对主材承载力需求相对较小。对于杆塔2B5-ZM2-4-30而言,该处的支撑因受压屈曲导致结构承载力下降。

图8a为2B5-ZM2-1-30(受弯扭)的竖向力分布,受弯扭塔的竖向力分布规律与受弯和受扭塔不同,受拉侧竖向力远小于受压侧,且塔身上部的受拉侧竖向力为压力,随着高度减小逐渐转变为竖向拉力;受压侧竖向力在各层不均匀分布,断线侧的竖向压力略大。由图8b可以看出,断线侧横向和纵向水平力较大,基本沿高度均匀分布,瓶口处的水平力明显大于其他部位水平力(为保证显示效果,未给出瓶口的水平力)。图8c,d分别为塔身各层的弯矩和扭矩变化曲线。与受弯塔类似,受弯扭塔的M1～M6与图3相应曲线发展趋势相同,塔身底部弯矩最大;与受扭塔类似,受弯扭塔的T1～T6变化趋势与曲线变化趋势相同,T1远大于其他曲线;与受扭塔不同,受弯扭塔身断线侧的水平力和竖向力均较大,该侧斜材受力也较大,特别是横隔附近。对于杆塔2B5-ZM2-1-30而言,塔身横隔附近断线侧的三段斜材发生了不同程度的屈曲,最终导致结构承载力下降。

a—竖向力分布; b—水平力分布; c—扭矩变化曲线。图7 2B5-ZM2-4-30内力分布与发展规律Fig.7 Internal force distribution and development laws of 2B5-ZM2-4-30

a—竖向力分布; b—水平力分布; c—弯矩变化曲线; d—扭矩变化曲线。图8 2B5-ZM2-1-30的内力分布与发展规律Fig.8 Internal force distribution and development laws of 2B5-ZM2-1-30

3 覆冰与断线耦合作用下的参数影响分析

以2B5-ZM2为例对杆塔在覆冰与断线耦合作用下的LPF-D/H曲线进行分析,覆冰厚度为10,15,30,60 mm,断线工况为“1～6”,加载点和加载方向为1(+)、2(+)、3(+)、1(+)和4(-)、2(+)和5(+)、2(+)和5(-)。图9为受弯杆塔承载力曲线,可知:2B5-ZM2-3-j曲线的发展规律基本一致,在加载初期曲线线性增长,到达最大值后进入水平阶段,杆塔抗侧能力随覆冰厚度增加而减小;覆冰厚度由30 mm增加到60 mm,2B5-ZM2-3-60的承载能力和变形能力比2B5-ZM2-3-30明显下降;与2B5-ZM2-3-j断1根上相导线相比,2B5-ZM2-5-j在同一档距断2根地线时的LPF值整体要小于前者。随着覆冰厚度增加,2B5-ZM2-5-j抗侧能力随之减小,LPF峰值相对接近,主要是由于该工况加载点位于塔顶地线悬挂点,除了塔身底层受压侧主材屈服外,塔头主材和辅材也出现了不同程度的屈服,曲线未出现水平段。2B5-ZM2-3-j(断1根上相导线)与2B5-ZM2-5-j(同一档距断2根地线)的受力特征接近,但后者延性较差,主要因为后者横担与上曲臂受力更加集中。

受扭杆塔的LPF-D/H曲线如图10所示,可知:2B5-ZM2-4-j曲线发展规律基本相同,承载力峰值随覆冰厚度增加而减小,承载力达到峰值后的下降均由瓶口下方斜材屈曲引起,覆冰厚度60 mm的曲线明显低于该系列其他曲线,且出现了两次拐点,分别对应横隔下方和瓶口下方斜材屈曲;与2B5-ZM2-4-j不同档距断2根下相导线相比,2B5-ZM2-4-j不同档距断2根地线,在同一覆冰厚度下的LPF值小于前者,而延性大于前者。这是由于断2根下相导线使得杆塔在塔头与塔身交界处受力较大,其下方斜材易屈曲,而不同档距断两根地线使得塔头曲臂与横担能分担一部分受力,在一定程度上削弱了前者的受力集中。2B5-ZM2-6-j抗侧能力随着覆冰厚度增加而减小,曲线峰值相对接近,未出现下降段,这主要是因为该工况加载点位于塔顶地线悬挂点,虽然瓶口下方斜材屈曲,但塔头主材和辅材也发生不同程度的屈服。60 mm覆冰杆塔2B5-ZM2-6-60的竖向力较大,因此加剧了斜材屈曲,在塔头杆件充分塑性发展前,杆塔承载力即开始下降。2B5-ZM2-6-60承载力曲线峰值明显小于该系列其他曲线峰值,有明显的下降段。

图9 受弯2B5-ZM2的LPF-D/H曲线Fig.9 LPF-D/H curves of 2B5-ZM2 under bending

图10 受扭2B5-ZM2的LPF-D/H曲线Fig.10 LPF-D/H curves of 2B5-ZM2 under torsion

受弯扭杆塔承载力曲线如图11所示,可知:2B5-ZM2-1-j中LPF的曲线发展规律几乎一致,线性增长后出现第一个拐点,对应塔身横隔下方断线侧斜材屈曲,随后曲线出现峰值并下降,且峰值随覆冰厚度增加而减小。2B5-ZM2-4-60的抗侧能力明显小于其他算例,主要是由于较大竖向力加剧了塔身在断线侧的横隔下方三层和顶层的斜材发生屈曲,且塔身底层断线侧受压主材有压屈趋势。与2B5-ZM2-1-j断1根下相导线相比,2B5-ZM2-2-j为断1根地线的初始荷载更大,同一覆冰厚度下2B5-ZM2-2-j的峰值小于2B5-ZM2-1-j的峰值;2B5-ZM2-2-jLPF曲线值在前期十分接近。这是由于断1根地线使得塔头受力相比断1根下相导线的受力更加集中,对于杆件发挥受力性能不利。2B5-ZM2-2-j曲线峰值随覆冰厚度增加而减小,覆冰厚度为10 mm和15 mm算例2B5-ZM2-2-10和2B5-ZM2-2-15的塔身支撑未发生屈曲,承载力达到最大值时塔身底部断线侧受压主材和塔头横担主材及辅材有不同程度的屈服。覆冰厚度为30 mm和60 mm算例B5-ZM2-2-30和2B5-ZM2-2-60的峰值达到最大值时,塔头横担主材和斜材发生不同程度屈服,塔身横隔上、下断线侧斜材屈曲。塔身底层断线侧主材有压屈趋势,2B5-ZM2-2-60受压主材的面外挠度最值达到9 mm。

杆塔2K1-ZM、2B10-ZMC2和ZM12在覆冰与断线耦合作用下的LPF峰值及破坏模式如表3所示。从整体上看,杆塔抗侧能力随覆冰厚度的增加而降低,破坏模式受覆冰厚度影响较小,每种断线工况的破坏模式基本一致,各塔型间的破坏模式略有不同。杆塔2B10-ZMC2-3-j、2K1-ZM-3-j、ZM12-3-j和2B10-ZMC2-5-j、2K1-ZM-5-j、ZM12-5-j受弯,LPF峰值随覆冰厚度增加下降幅度较大,破坏模式为塔身横隔附近或塔腿受压侧主材屈服,说明杆塔横隔对其抗侧移刚度分布影响较大。受扭杆塔LPF峰值受覆冰厚度影响较小,在杆塔2K1-ZM2-1-j、2K1-ZM2-4-j、2K1-ZM2-6-j和ZM12-4-j塔身顶部斜材或瓶口主材发生屈服,杆塔2B10-ZMC2-4-j、2K1-ZM-4-j、ZM12-4-j和2B10-ZMC2-6-j、2K1-ZM-6-j、ZM12-6-j塔头及塔身顶部主材屈服。杆塔2B10-ZMC2-1-j、2K1-ZM-1-j、ZM12-1-j和2B10-ZMC2-2-j、2K1-ZM-2-j、ZM12-2-j受弯扭,破坏模式为断线侧塔头主材、塔身顶部斜材因杆塔受扭屈服;断线侧受压塔主材因杆塔受弯屈服。上述受弯、受扭、受弯扭杆塔的破坏模式及覆冰厚度对杆塔承载力影响基本与杆塔2B5-ZM2的分析结果一致。