有限元分析方法在铁塔安全性评估中的应用

汪 楚 清

(宁夏回族自治区电力设计院，宁夏 银川 750000)

有限元分析方法在铁塔安全性评估中的应用

汪 楚 清

(宁夏回族自治区电力设计院，宁夏 银川 750000)

对某输电线路工程中两基铁塔上安装载人登塔设备的问题作了研究,利用有限元软件ANSYS，对安装登塔设备后铁塔的安全性进行了评估，分析结果表明，安装智能登塔设备对铁塔的安全性没有影响。

输电铁塔，登塔设备，有限元分析，安全性评估

随着特高压、超高压线路的建设，线路运行检修经常需要攀爬铁塔，当铁塔高度超过50 m时，登塔检修工作强度将成倍增加，工作效率越来越低，而且给作业人员带来较大的安全隐患。因此，采用机械装备代替人力登塔将成为今后电力检修工作的发展方向[1-4]。为进一步推广便携式载人登塔设备(以下简称登塔设备)在宁夏输电线路检修中的应用，宁夏电力公司检修公司2012年启动“输电线路便携式载人登塔设备研发”项目，计划在已带电运行的±660 kV银川东直流输电线路2号塔及750 kV灵川Ⅰ，Ⅱ双回输电线路32号塔两基铁塔上对登塔设备进行试点应用。

两基塔分别为ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高为52 m)，设计条件均为27 m/s风速，10 mm覆冰。虽然这两基铁塔实际使用的水平档距和垂直档距比设计条件要小一些，即铁塔具有一定的安全裕度，但由于铁塔设计时未考虑登塔设备这部分的负载，很难根据经验判断安全裕度是否满足安装要求。为保证登塔设备的顺利安装，需对这两基铁塔的安全性和可靠性进行全面的评估。

1 铁塔安全评估方法现状

从评估手段上讲，目前有真型塔试验和计算分析两种。真型塔试验一般是为了验证施工、设计的合理性以及力学参数计算的准确性[5]，但由于其成本较高，且对于一些非控制铁塔受力的辅助设施进行真型塔试验也没必要，因此目前主要还是采用计算分析最多。计算分析按铁塔受力特点，分局部受力分析和整体受力分析两种。局部受力分析适用于铁塔上局部杆件承受集中荷载情况，该荷载对铁塔整体性能影响不大，此时可对局部杆件按轴心受力或受弯进行手工计算，这在工程实际中应用较多，如周磊等[6]采用局部分析方法对在铁塔横担部位安装中继系统设备的主要支撑构件的安全性能进行了分析。对于整体受力分析，由于铁塔属于超静定结构，往往需要利用线性或非线性程序进行分析，如汪楚清等[7]利用ANSYS有限元分析方法对大跨越输电钢管塔的关键节点进行了安全性分析。

由于登塔设备对铁塔产生的附加荷载沿塔身分布，可能对连接处铁塔主材、斜材或横隔材受力影响最大，而附属荷载不方便导入铁塔设计软件TTA中，对这种近似分布式集中荷载的整塔计算分析带来很大的难度。考虑到目前铁塔设计属于线弹性计算，按线弹性理论，可以将附属荷载引起的各杆件内力的变化与设计条件下的杆件内力进行叠加，以杆件屈服强度为界限判断杆件是否破坏，如破坏，则需加强。而附属荷载引起的杆件内力的变化部分，利用有限元分析方法将大大降低计算难度，因此本文采用基于ANSYS软件的有限元分析方法和手工计算相结合的方式对整塔的安全性进行评估。

2 登塔设备结构及主要参数

如图1所示，登塔设备主要由导向架、攀爬机、传动系统、标准节、连接件和夹具六部分组成。导向架作为攀爬机上下运行的轨道，永久固定在一侧铁塔上。攀爬机安装在导轨上，通电的传动系统通过齿轮与导轨间的啮合作用为攀爬机的上下提供动力，完成运输人员或货物的工作。标准节起固定导向架作用，连接件通过夹具固定在交叉斜材上以增加登塔设备的水平刚度，防止攀爬机爬升或下降时产生晃动。

设备性能参数：导向架和标准节单位重量35 kg/m，夹具和连接件单位重量14 kg/m，额定负载100 kg，额定提升速度0.2 m/s，防坠落装置的额定动作速度0.7 m/s，机体质量50 kg。

3 解决方案

根据前面的分析，利用ANSYS软件单独计算出在附加荷载作用下的整塔杆件内力，然后与TTA杆件数据进行叠加，因此附加荷载的计算和其对结构的作用影响成为安全性评估的关键。

3.1 附加荷载分析

登塔设备引起的附加荷载包括自重和风荷载，自重包括：1)导向架和标准节自重；2)连接件自重；3)攀爬机自重和负载。风荷载包括：1)导向架和标准节风荷载；2)连接件风荷载。由于登塔设备安装在铁塔侧面，最不利风为90°大风，即垂直于线路方向的横向风。

3.2 有限元建模和附加荷载的分配

利用ANSYS软件，分别建立ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高52 m)有限元模型,由于登塔装置引起的附加荷载主要控制杆塔主材和斜材的受力，因此有限元模型不建立横担。有限元模型中所有主材和斜材全部采用Beam189梁单元，横隔材采用Link8单元。

考虑到导向架和标准节基本在每个斜材汇交附近处由连接件固定，因此将导向架和标准节在斜材交汇处分为不等长的各段，然后将各段导向架和标准节的自重、风荷载平均分配到与之相连的交叉点上；同时由于连接件靠近交叉点较近，近似将其自重和风荷载也由相近的交叉点承担。如图2中的圆圈所示，附加荷载全部转化成集中力并施加在交叉点上。

3.3 荷载的计算

限于篇幅，以ZP2713(呼高78 m)为例说明计算过程。

1)重力。导向架和标准节35 kg/m，连接件14 kg/m，各段长度按图纸取值。

2)风荷载。依据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[8]对杆塔风荷载相关规定进行计算。计算风速27 m/s，导向架和标准节构件为钢管，体型系数μs=1.1；连接件为角钢，体型系数μs=1.3，风压高度变化系数μz按《建筑结构荷载规范》[9]中规定B类地面粗糙度进行取值，为方便计算，取风振系数βz=1.6，覆冰风荷载增大系数B=1.2，构件挡风面积和各段长度按图纸取值。

3)攀爬机自重与负载。根据登塔设备性能参数，登载设备荷载自重50 kg,额定负荷重量100 kg，总重150 kg。正常提升或下降速度为0.2 m/s,而防坠落制动速度为0.7 m/s，因此坠落制动产生的制动力最大。制动距离越小，荷载越大，最小制动距离为0.25 m,经计算最大制动荷载为2.5 kN，计算时将其挂在塔顶。挂点编号见图3，挂点荷载见表1，可以看出不同高度处的等效附加荷载大小都不同，其中制动荷载最大。

表1 附加荷载表

3.4 计算结果分析

附加荷载引起各杆件轴力分布图见图4，其中压为负，拉为正，可以看出塔安装侧主材受压，另一侧受拉，符合实际受力情况，压轴力最大为62.6 kN, 拉轴力最大为46.3 kN。根据TTA计算结果，重点关注应力比超过80%的构件，利用ANSYS后处理技术，提取了相应杆件的轴力，并和TTA结果叠加，结果见表2。

表2 主要杆件的计算应力

杆件序号设计应力/MPa附加应力/MPa允许应力/MPa总应力/MPa应力比1-269.7-2.39307.7-272.090.882-259-3.08307.7-262.080.853-271.3-0.61310-271.910.884-250.7-0.14310-250.840.815-296.81.17310-295.630.956-267.41.61310-265.790.867-262.9-1.48310-264.380.858-296.81.79310-295.010.959210.8-0.2310210.60.6810-288.20.12310-288.080.9311-243.10.11274.7-242.990.8812-332-4.9364.2-336.90.9313-253.60.06310-253.540.8214-268.6-0.88310-269.480.8715-291.5-0.34310-291.840.9416-2533.06310-249.940.8117-249.62.22310-247.380.818-358.6-5.11380-363.710.9619-359.6-6.29380-365.890.9620-175.6-0.61215-176.210.8221-186.4-0.54215-186.940.8722-355.5-6.1371.3-361.60.9723-336.6-6.57371.3-343.170.9224-354.1-7.43371.3-361.530.9725-177.70.08215-177.620.8326-198.91.56215-197.340.9227-184.3-1.91215-186.210.8728-206.32.16215-204.140.9529-186.32.52215-183.780.8530-298.3-0.79310-299.090.9631-253.51.56310-251.940.8132-325.7-7.12380-332.820.8833-340.1-8.07380-348.170.9234-187.4-0.56215-187.960.8735-178.81.14215-177.660.8336-309.4-7.86380-317.260.8337-309.4-7.86380-317.260.8338-321.6-8.71379.7-330.310.8739-363.2-6.48379.7-369.680.9740-347-9.88379.7-356.880.94

从表2中可以看出:登塔设备引起的附加荷载对安装侧塔腿和变坡附近处主材的应力影响最大，应力最大增加2.6%，对斜材受力影响较小，原因是斜材普遍刚度较大，荷载直接传递到主材上，叠加后主材应力比最大为97%，未超过允许应力。

ZGU2(呼高52 m)采用同样的分析方法得到:附加荷载对安装侧的主材应力影响最大，应力最大增加1.88%，其他横隔材和斜材应力变化较小;叠加后主材应力比最大为96%，未超过允许应力。

4 应用效果

根据本文的分析结论，宁夏电力公司检修公司已经于2013年在宁夏地区已建且带电运行的750 kV和±660 kV输电线路中的两基铁塔上安装了登塔设备，目前该铁塔运行良好，各项性能指标满足铁塔的设计要求，证明了本文的分析方法是有效可靠的。

5 结语

1)登塔设备引起的附加荷载对ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高52 m)的安全性能不构成威胁，可以进行安装。

2)登塔设备引起的附加荷载主要对安装侧塔腿和变坡处主材的受力影响最大，对斜材和横隔材的影响可忽略不计。

3)登塔装置在带电运行铁塔上的顺利安装，说明了本文提出的分析方法是行之有效的，为登塔装置的大范围推广应用提供了可靠的技术支撑及保证。

4)本文采用的分析方法同样适用于对安装其他复杂的附属设施的铁塔的安全评估分析。

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Abstract: The paper studies manned plethora device installed on the two basic steel towers in the power transmission line engineering, and evaluates the steel tower safety after installed plethora device by applying finite element software ANSYS. The analysis results show that: there is no impact upon steel tower safety by installing intelligent plethora device.

Key words: power transmission steel tower, plethora device, finite element analysis, safety evaluation

Application of finite element analysis method in safety evaluation of steel tower

Wang Chuqing

(NingxiaElectricPowerDesignInstitute,Yinchuan750000,China)

2016-03-15

汪楚清(1985- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2016)15-0044-03

TU473.1

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