沿海地区输电铁塔抗风加固研究

肖 琦，李 卓，郭校龙

(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

中国的东南沿海地区受大风影响最为严重，陈旧输电塔在风荷载的作用下经常发生断线倒塔事故，严重影响了电力输送。因此，为了保障电力的正常输送，应采取适宜办法予以解决。通常采取的办法是更换铁塔，但这种方法实施起来费用高、难度大、停电时间长［1］。对此，根据输电塔的特点，本文提出采取增加辅助支撑加固补强方法。用ANSYS大型有限元对输电塔与节进行非线性有限元模拟分析［2］，建立有限元分析模型，以90°大风工况为依据，解析在风荷作用下输电塔的薄弱位置。在薄弱主材的位置采用组合角钢的加固方法增添1根相同型号的主材，计算螺栓位置和填板距离，以提高输电塔整体刚度与承载力。

1 输电塔结构有限元分析

1.1 工程概况

阳江市110 kV输电线路中的ZGU1－18双回路直线鼓型塔，塔高为28 m，呼称高18 m，塔材是Q234B角钢。在2008年的“黑格比”台风中，此输电线路发生了程度不一的故障，暴露出现有塔型存在的缺陷，所以加固此类输电塔，提高抵抗大风的能力和保证输电塔安全运行迫在眉睫。

1.2 有限元计算

按照风压高度变化系数的不同，把输电塔的模型分成11段，风荷载的设计值加载到杆塔主材的节点上，每一个水平截面上有4个受力点。图1标出了在大风工况下比较危险的杆件在正常的状态下薄弱杆件对称出现。图1上圆圈处表示的是超过屈服强度的杆件(只标出了一侧薄弱杆件)，由此可见薄弱杆件全都集中在塔身处。运行时，此部分杆件超出了它们的极限形变，从而导致整塔承载力不足，此结果与实际状况较吻合。实际情况表明，同类塔型在杆件①处率先屈服，进而拉动杆件②、③，致使整体倒塌。

图1 大风工况下输电塔薄弱位置

2 输电塔加固补强方法

根据实际情况，用组合角钢方法对以上分析中的薄弱杆件进行加固，附加1根相同规格的主材在其上，用一字型的填板连接，提高整个塔的承载力。校核连接薄弱杆件的节点，对加固后输电塔第一个失效杆件的受力性能进行分析。

2.1 填板计算

为了保证两个角钢成形组合截面，用一字填板型。通过规范得知填板间距离不应超过40γi(压杆)或80γi(拉杆)，其中γi为回转半径。计算填板间距下不同螺栓个数的单个螺栓所承受的剪力，不能让它超过螺栓的抗剪承载力。明确螺栓的布置方式与螺栓个数，以螺栓数最少为目标［3］。两个等边角钢组成T形断面应力和螺栓计算方法:

横向剪力为

竖向剪力为

单个螺栓承载力设计值为

当螺栓个数取2时，计算结果为94 kN，满足要求。

角钢及填板都选用Q235钢，填板厚10 mm，螺栓型号选取8.8级M16φ17.5，填板间距取1.6 m，填板及螺栓尺寸如图2所示。

图2 填板及螺栓尺寸(单位:mm)

2.2 节点板校核

由勘察可知，受损输电塔的螺栓孔处有开裂现象，因此应考虑节点板承载力是否满足实际需要。采用可以同时考虑材料、几何及状态非线性的大型结构分析有限元软件ANSYS 10.0，建立组合节点的分析模型并对受力性能进行模拟分析［4］，如图3所示。本文以钢材达到Q235最大容许应力或结构变形达到角钢厚度的3%时，为节点发生破坏。

节点板和角钢均采用Q235钢，根据钢材的弹塑性特点，钢材本构关系可采用简化的模型如图3所示。弹性模量取2.10×105MPa，屈服强度和极限强度分别为235 N/mm2和420 N/mm2，泊松比取0.3，计算采用von mises屈服准则及相关流动准则。选取每个节点有6个自由度的4节点四边形壳单元SHEEL181来模拟节点板及角钢［5］。为了简化有限元分析模型，采用的有限元模型中将不建立螺栓模型，而只把节点板和角钢螺栓孔边上的节点进行自由度耦合。将竖向主角钢杆件下端面节点全部自由度进行约束，其它角钢端部节点约束除沿角钢轴线方向线位移以外的其它自由度，末端节点均匀施加沿杆件轴向荷载。为了主要研究节点板的受力性能及破坏模式，在建模和加载时采用在角钢端面施加等应力的方案，如图4所示。在有限元求解分析过程中，采用弧长法。

图3 节点示意图

对模型施加荷载，节点受力情况如图5所示。荷载通过螺栓逐渐传至节点板上。整个受力过程中，节点板出现变形，钢材已经屈服，由应力图5a可知，节点板的钢材未达到它的极限强度，此时的变形图如图5b所示，节点板自由边呈现明显的平面

图4 角钢节点有限元模型

外失稳状态，节点板出现失稳破坏，说明该节点不安全，需增加节点板厚度进行补强。

图5 节点受力情况

2.3 加固可行性分析

本文拟采用组合角钢的方法进行加固［6］，对出现失稳破坏的节点板，采用增加厚度方法。原设计节点板为8 mm厚，现增加节点板厚为10 mm，对设计的节点进行受力分析。组合角钢节点应力如图6所示。节点板应力分布情况如图7所示。

图6 组合角钢节点应力图

由图6可知，在整个受力过程中，各个角钢和节点板无明显变形。最大应力出现在双角钢上，数值为239 N/mm2，由此，角钢达到屈服，但未达到钢材的极限强度。图7表明节点板上应力最大值为235 N/mm2，节点板无变形，钢材未达到屈服，说明该节点设计是安全的。

图7 节点板应力分布情况

3 加固方案

使用多年的输电铁塔作为输电线路主要部件之一，常常会因荷载的增加或其它因素而需对其加固［7］。一般来说，对输电塔加固补强是以几何尺寸不变为前提，对原输电塔的构件加大或更换高强度的材料，本文采用组合角钢的方法进行加固并且增大连接点板的厚度。

依据有限元分析并确定需用的加固方案，选择停电检修无风的时间［8］，首先加固节点板，然后对主材进行加固。

3.1 节点板的更换

利用钢丝绳在所需要更换节点板的上下主材适当位置连接收紧，之后更换节点板。

1)用与上下主材间缝隙相同的木板进行支垫，放在两主材之间。

2)在输电塔的4个角设置拉线，设置拉线是为卸掉节点板上的剪力，并防止主材之间发生错位。

3)拆除旧的节点板，更换新节点板。4)拆除工器具，更换完毕。

3.2 主材加固

附加主材的时候楔板不动，输电铁塔的一角只拆掉侧面的螺栓，等副主材到位后把正副主材和铁塔侧面斜材共同连接一起。

4 结论

1)在大风工况下，ZGU1－18双回路直线鼓型塔塔身部位部分主材超过钢材的屈服强度，说明现有塔型在遇到荷载超过其设计风速时，整塔的承载力明显不足。

2)单角钢连接节点板破坏模式为板平面外的失稳破坏，在角钢端部部位受力最为不利，此位置属于节点板的薄弱位置，在临近破坏时，该部位进入塑性，使节点板面外变形增加，最后破坏时表现为角钢的失稳破坏。

3)对加固后的节点设计，建议采用与原来主材相同规格的塔材，对构件较长的主材，采用一字型填板进行连接，对优化后的节点进行分析，主材和节点板均无明显变形，说明加固方案可行。

4)通过上述输电塔加固措施，基本可以达到预期的效果，提高原塔抗大暴风的能力，同时也为沿海地区输电线路加固提供参考和依据。

［1］ 田琪凌，伋雨林，陈振，等.500 kV输电塔承载能力分析及优化设计［J］．华中科技大学学报:城市科学版，2010，27(1):64－68．

［2］ 赵庆斌．送电铁塔单角钢受压极限承载力研究［D］．成都:西南交通大学，2004．

［3］ 左元龙，赵峥，付鹏程，等．大跨越输电铁塔十字组合角钢填板的设计与试验［J］．武汉大学学报:工学版，2007，40:209 －213．

［4］ 熊铁华，梁枢果，邹良浩．风荷载下输电铁塔的失效模式及其极限荷载［J］．工程力学，2009，26(12):100 －104．

［5］ 程睿，黄宗明，孙必祥，等．单角钢连接节点板受压性能试验研究与承载力计算方法［J］．建筑结构学报，2009，30(4):61 －68．

［6］ 赵根田，张丽芳，高学丽．腹板双角钢抗剪连接受力性能有限元分析［J］．内蒙古科技大学学报，2007，26(1):74 －78．

［7］ 武彦坤．有建筑结构抗风鉴定与加固［D］．上海:同济大学，2007．

［8］ 游金泉．输电线路杆塔防冰加固技术分析［J］．民营科技，2010(5):56．