输电铁塔的静力学分析

(国网重庆市电力公司 石柱县供电分公司，重庆 409100)

铁塔作为输电线路的重要组成部件，其安全可靠性直接影响着整个电网的正常运行。随着电力网络的日益扩大，在一些极端天气条件下，铁塔倒塌事故时有发生。因此，研究铁塔的力学性能具有必要的理论意义和使用价值。因为铁塔的实际工作环境较为复杂，现有的设计规范中以概率理论为基础的极限状态设计法，以铁塔的荷载和材料强度为设计值进行校验的设计方法存在一些弊端。实践表明，这种方法只能满足基本的设计需要，在复杂的环境下，将与实际情况产生较大差距。

1 模型建立方法和单位制式

1.1 模型建立方法

铁塔的有限元模型采用自下而上的建模方法，首先建立铁塔铁腿部分的关键点，然后把关键点连接成线。其基本步骤如下：

1)确定铁塔的关键点坐标；

2)定义铁塔中各个单元的各项参数和材料特性；

3)将关键点连接成线，并确定线的单元属性。

1.2 单元类型选取

本文在有限元软件ANSYS中建立猫头塔有限元模型时，采用桁架混合模型的方式。铁塔主材、横钢材和斜钢材选取梁单元BEAM188来模拟，杆单元选取LINK180来模拟。建立的铁塔模型如图1中的(a)、(b)所示。

2 边界条件及荷载的施加

在有限元软件中分析，边界条件和荷载是否合理关乎着分析结果的可靠性和正确性。对铁塔而言，受力情况与气象条件有极大的关系，本文中主要考虑最大风速和最大覆冰两种极端气象条件下铁塔的受力情况，再根据我国的设计规范规定计算该种气象条件下风荷载和覆冰荷载的大小。同时，铁塔所受的荷载还包括铁塔和架空线自身的质量及铁塔两端架空线的不平衡张力。

图1 猫头塔有限元模型

2.1 风荷载

根据空气动力学原理，风压和风速间具有以下关系：

(1)

式中：w为作用在单位面积上的风荷载，kN / m2；r为单位体积内的空气质量，在标准大气压下，r=0.012 kN/m3；g为重力加速度，一般取g=9.8 m/s2；v为风速，m/s。

总风压w是由平均风压及脉动风压两部分组成

(2)

平均风压可由平均风速直接求得，但脉动风压不仅取决于脉动风速，还与平均风速有关系。

计算作用于结构表面上的风压，不仅要考虑平均风速和脉动风速，而且还要考虑结构物表面的情况。为了更准确地反映各种因素对结构静力风荷载的影响，在式(2)的基础上，我国的设计规范规定结合工程应用实际计算风荷载的静力风压为

(3)

式中：w0为基本风压；μr为重现期的调整系数；μs为结构特征系数；μz为风压的高度变化系数。

2.2 覆冰荷载

对于导线覆冰增长过程的模型建立在导线的流体力学中还存在一定差异，铁塔构件以角钢为主，与比较常用的圆柱形覆冰模型有所不同，圆柱形覆冰模型的覆冰过程主要取决于冰密度的增长，对角钢而言，其单位面积的覆冰荷载为

Q=0.6a2γb

(4)

式中：Q为单位面积上的覆冰的荷载，N/m2；b为表面的覆冰厚度，m；γ为单位体积覆冰质量，N/m3；a2为覆冰厚度随高度变化的系数。

2.3 架空线的荷载

架空线荷载主要有自重荷载和不平衡张力荷载，自重荷载由自身质量引起，其大小不受气象条件的影响，计算公式为

G=qg

(5)

式中：q为架空线单位长度的质量，kg/m；g为重力加速度，一般取g=9.8 m/s2。

铁塔架空线不平衡张力大小与气象变化条件和线路运行情况有一定关联，在不同气象条件下架空线的应力有一定区别。根据已知的架空线应力和状态方程可以得到其他气象条件下导线的应力，见式(6)，铁塔两端架空线应力值差再乘以铁塔导线截面积，就可以得到铁塔上不平衡张力：

(6)

本文中，风荷载根据不同高度的风压系数、风载标准值和风载分配系数，分为8段分别换算为等效静力风荷载，加载在铁塔的不同高度的8段上，铁塔分段图和荷载加载图如图2和图3所示。

图2 铁塔风载分段图

图3 铁塔荷载加载图

3 分析结果

分析结果显示，猫头塔静力学分析在最大风条件下，最大位移发生在水平方向，最大位移处在猫头塔顶端，即正侧面左边悬挂地线的地方。最大风载位移如表1所示，铁塔变形云图如图4所示。

表1 最大风载位移表

图4 最大风载铁塔变形云图

猫头塔在覆冰工况下，位移最大点在铁塔正面右侧，横担边缘绝缘子的悬挂处。最大履冰位移如表2所示，铁塔变形云图如图5所示。

图5 最大覆冰铁塔变形云图

参数X方向Y方向Z方向综合位移节点3586455053963586位移/m0．25363E-01-0．15540E-02-0．84824E-020．25371E-01

最大应力值均满足铁塔对钢材的许用应力值(见表3)，说明铁塔在两种工况下都是安全可靠的。

表3 铁塔静力荷载响应

4 结论

本文以220 kV输电线路中典型的猫头塔为研究对象，在ANSYS中选取BEAM188模拟铁塔主材，LINK180来模拟斜材和辅材，建立了猫头塔的有限元模型。以最大风载和最厚覆冰为气象条件的荷载施加到铁塔上，通过ANSYS静力学分析得到铁塔的最大位移和最大应力。这为铁塔动力学研究打下了基础，同时为铁塔的安全运行提供可靠依据，在日常运维工作中，特别是极端气象条件下对该部分重点观测，在条件合适的情况下，还可针对性地加强该部分的承力能力，提高铁塔的安全性能。

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