基于SAP2000软件的中重冰区直线塔静力分析

林奇祥 江全才 卢振鹏 谭坤侨 许维忠

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌电力勘测设计院有限公司，湖北 宜昌 443003）

神农架变～宋洛变110kV线路工程，全线分为10mm、15mm、20mm、30mm冰区，为此宜昌电力勘测设计院有限公司设计了1YC－ZBC1、1YC－ZBC2、1YC－ZBC3、1YC－JC1、1YC－JC2、1YC－JC3、1YC－JC4七个20mm 冰区铁塔；1YD－ZBC1、1YD－ZBC2、1YDZBC3、1YD－JC1、1YD－JC2、1YD－JC3、1YD－JC4 七 个30mm冰区铁塔，共计14个.为确保安全性和准确性，通常需做真塔试验，但真塔试验费用昂贵.鉴于此，本文基于有限元分析软件SAP2000仿真分析了110kV等级的1YD－ZBC3直线塔，为后续杆塔试验模拟仿真、杆塔防灾抗灾、杆塔优化提供借鉴.

1 计算模型及分析方法

1.1 计算模型

1YD系列铁塔是宜昌电力勘测设计院有限公司根据神农架等中重冰区的实际条件专门设计的.呼高30.0m，全高37.5m，塔重20.4t，水平档距400m，垂直档距900m.塔身主材采用Q345钢，辅材采用Q235钢.1YD系列设计覆冰厚度为30mm.在有限元分析软件SAP2000中建立1YD－2B3铁塔三维模型，杆件均采用空间杆单元，如图1所示.

图1 1YD杆塔三维模型

1.2 杆塔上的荷载

杆塔承受的荷载一般分解为作用在杆塔上的垂直荷载（垂直于地面方向）、横向水平荷载（平行杆塔平面即沿横担方向）、纵向水平荷载（垂直杆塔平面即垂直横担方向）.垂直荷载包括导线、地线、绝缘子串和金具的重力荷载、杆塔自重荷载、安装检修时的垂直荷载，包括工人、工具及附件等的重力荷载.横向水平荷载包括导线、地线、绝缘子串和金具的风压、杆塔塔身风载、转角杆塔上导线及地线的角度力［1］.纵向水平荷载包括导线、地线的不平衡张力（对无转角的杆塔不平衡张力为顺线路方向，对有转角的杆塔不平衡张力则与杆塔横担垂直）、导线地线的断线张力和断导线时地线对杆塔产生的支持力、安装导线时的紧线张力［2］.

线路相关参数为：导线型号LGJ－240／55，地线型号JLBIA－120；导、地线耐张绝缘子串重量分别为500N、100N；间隔棒重30N.

1）运行工况Ⅰ.

耐张杆塔荷载组合情况为最低气温、无风、无冰、未断线荷载组合.地线重力GB＝7 246N；导线重力GD＝10 310N；导线风压PD＝3 140N.

2）运行工况Ⅱ.

直线杆塔第二种荷载组合情况为覆冰、有相应风速、未断线.地线重力GB＝（43 135＋7 249）N；导线重力GD＝（10 275＋39 513）N；导线风压PD＝6 167N.

3）断线工况Ⅰ：断导线情况.

荷载组合为无冰、无风、断任意两相导线.由于有上、中、下三相导线，断任意两相导线就会产生两种变形，即上导线和一根下导线断或两根下导线断.地线重力GB＝7 246N；未断线相导线重力GD＝10 313N；断线相导线重力GD＝5 422N；导线张力TD＝14 294 N.

4）断线工况Ⅱ：断地线情况.

荷载组合为无冰、无风、导线未断、断任意一根地线.导线重力GD＝10 310N；地线重力GB＝3 723N；地线张力TD＝10 593N.

将所计算出的杆塔荷载施加到三维模型中运行分析.

1.3 分析方法

静力分析指的是对结构施加一稳定载荷，在这种条件下分析其应力、应变和位移.此时不需要考虑惯性和阻尼特性，也不需要考虑随时间变化的载荷，但允许有稳定的惯性载荷（重力和离心力）作用.包括线性静力分析和非线性静力分析，在本文中只考虑线性静力分析.

2 线性静力分析

荷载工况一旦被选定运行后，软件将根据对象的模型将其转化为有限元，然后进行分析运算.从而得到荷载工况施加到结构上对结构的影响［4－5］.

对模型进行线性静态分析后分别得到各点在X、Y、Z3个方向上的位移，对3个位移进行综合，得到综合位移.《高耸结构设计规范》规定高耸结构水平位移限值，见表1.

表1 高耸结构水平位移限值

因此可以求出1YD－ZB3上各点的最大水平位移为607mm.

2.1 位移

运行软件得到如图2所示的各点偏移图和图3所示的应力图［6－7］.由软件可计算得出铁塔各点在各个工况下的偏移量，如图4所示.

1）a工况（v＝30m／s，t＝－5℃，b＝0mm），铁塔挂导线处偏移最大，各点的最大偏移在塔腿处最小为0，越往上越大，在其他工况下铁塔的偏移也遵循这个规律.整个铁塔塔头以下部分偏移不大.主要是塔头发生偏移，朝一侧挂导线处偏移.

图2 各个工况下铁塔变形图

图3 铁塔各点在各个工况下的应力图

图4 铁塔各点在各个工况下的偏移量

2）b工况（v＝15m／s，t＝－5℃，b＝30mm），铁塔塔头挂地线处点的偏移最大.此工况下点的偏移要比a工况下各点的偏移大.b工况下覆冰是最严重的.虽然从图中观察二者的偏移很相似，但图4得出的数据表明b工况下的最大偏移是a工况下最大偏移的6倍.

3）c工况（断一根导线的荷载组合情况为无冰、无风），综合最大位移发生在塔头断导线处，最大值达到76mm.其变形情况和a、b工况已经有了明显的不同，此时的偏移主要是在沿线方向发生的.这是由于导线断开导致铁塔前后档受力不均匀，铁塔在导线的拉力下向未断线侧偏移.

4）d工况断的是地线，因此此时的变形形状和c工况有些类似，但从图4观察到c工况的偏移要大一些，这是因为导线张力要比地线张力大.

5）从以上各图可以看出各个工况下的偏移都在限值范围内，最危险工况是b工况，最大偏移接近350mm.直线杆塔第二种荷载组合情况为覆冰、有相应风速、未断线（v＝15m／s，t＝－5℃，b＝30mm），这是几种工况里唯一一个考虑覆冰情况的，而且覆冰厚度达到30mm.由此可见覆冰对杆塔的作用是很大的，而杆塔也承受住了覆冰的作用力.

2.2 应力

经过静态分析可得到铁塔各点在各个工况下的偏移和轴力图.对于偏移最大的点可以进一步进行分析，得到此杆件的轴力图，如图5所示.

图5 铁塔各点在各个工况下的轴力图

将计算结果与表2角钢强度值进行比较，图5（a）对应的是塔头挂线点处，此杆件编号为867，属性为GB－L100×8.此时杆件受力为11 315.25N.经计算，强度为7.24N／mm2，小于角钢的强度设计值250N／mm2.图5（b）对应的是塔头挂地线点处，此杆件编号为791，属性为 GB－L100×8.此时杆件受力为24 339.49N.经计算，强度为15.56N／mm2，小于角钢的强度设计值250N／mm2.图5（c）塔头挂线点处，此杆件编号为867，属性为GB－L100×8.此时杆件受力为69 268.69N.经计算，强度为44.29N／mm2，小于角钢的强度设计值250N／mm2.图5（d）对应的是塔头挂地线点处，此杆件编号为791，属性为GBL100×8.此时杆件受力为48 447.93N.

表2 钢强度值

3 结 论

本文通过对中重冰区直线塔进行静力分析，检验了铁塔的安全性，分析结果显示该铁塔在各种工况下可以安全稳定地运行，可以为以后的真塔试验提供重要参考.而且从分析结果发现该铁塔裕度很大，可以对铁塔进一步进行优化以节省钢材.本文只分析了直线塔，耐张塔将在以后的文章里进一步分析.

［1］ 汪 欣.高压输电塔－线体系多点激励下的抗震分析［D］.重庆：重庆大学，2011.

［2］ 陈祥和，刘在国.输电杆塔及基础设计［M］.北京：中国电力出版社，2008.

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