基于ABAQUS的重冰区铁塔仿真分析与试验研究

陈 忠，田 红，许维忠，阎晓铭

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

随着各地电网建设的不断完善和风电送出线路等在重冰区的逐步建设，220 kV不同结构型式的重冰区铁塔应用越来越广泛。现行输电线路设计规范[1]和重冰区输电线路设计规范[2-3]实施后，线路的倒塔或塔头部分破坏现象已经大大减少，但是冬季山区覆冰时期重冰区线路仍然会发生杆塔整体或局部破坏，特别是在杆塔前后档高差较大，不均匀脱、覆冰严重和覆冰厚度超厚、覆冰的同时风速过大等微气象区，杆塔破坏概率较大。因此有必要对此类杆塔进行仿真分析，以验证杆塔的整体结构强度和安全性能是否满足不同工况下的使用要求。

重冰区铁塔是重冰区输电线路的支撑，常见的重冰区铁塔为角钢塔或钢管塔。有别于常规直线塔的控制工况为大风工况，重冰区直线塔的控制工况为覆冰工况，因为覆冰时导地线和铁塔受风面增加，同时风速也相应增加，致使横向覆冰风荷载相比轻、中冰区铁塔有所增加。重冰区耐张塔的控制工况为验算覆冰，此时导地线的张力达到最大值。相比于常规塔，重冰区塔往往承受更大的导地线张力、覆冰横向风荷载、垂直荷载、断线和不均匀覆冰引起的扭矩等，因此塔头尺寸、根开、塔材规格、质量等更大。

针对重冰区杆塔的ABAQUS结构仿真分析成果较少。易文渊[4]、陈科全等[5]利用ABAQUS软件做过有关导线脱冰动力响应的分析；薛琰[6]、李明轩[7]利用ABAQUS软件做过杆塔基础承载特性数值和上拔性能分析。本文利用ABAQUS软件对重冰区铁塔进行不同工况下的受力仿真模拟，以实际工程中应用的不同塔型为例进行真型试验，对模拟计算结果与真型试验结果进行对比分析，为重冰区铁塔的优化设计提供参考。

1 ABAQUS数值模型的建立

1.1 创建部件和赋予属性

2K21和2K31模块是湖北地区35～220 kV杆塔设计通用的组成模块，由宜昌电力勘测设计院设计。真型试验的铁塔为2K21-ZBC3-27和2K31-JC1-18。2K21和2K31模块的主要技术条件见表1。

表1 主要技术条件

2K21-ZBC3-27直线塔设计水平档距为600 m，垂直档距为1 000 m，代表档距为450 m，可承受3°的转角荷载。2K31-JC1-18耐张塔设计水平档距为500 m，垂直档距为800 m，代表档距为400/500 m，转角度数为0°～20°。

仿真模型采用梁—桁架单元混合模型，即主材及横隔材采用梁单元，斜材及其他辅材采用桁架单元。相比全部采用梁单元或桁架单元，梁—桁架单元混合模型更符合铁塔的实际受力状态。铁塔脚部节点与地面连接为刚接。直线塔和耐张塔单线图和三维有限元图如图1和图2所示。

图1 2K21-ZBC3-27塔单线图和三维有限元图

图2 2K31-JC1-18塔单线图和三维有限元图

杆塔材料的力学参数见表2。

表2 杆塔材料力学参数

根据2K21-ZBC3-27和2K31-JC1-18的结构图，组成铁塔的杆件规格见表3。

按实际的规格对各杆件予以定义，并指定梁的方向。

1.2 分析步和划分网格

除程序默认的初始分析步外，应定义一个进行通用静力计算的分析步，计算杆件在弹线性阶段的位移和应变。

表3 杆塔的杆件规格

在ABAQUS/Explict中，稳定时间增量步长与最小的网格尺寸成正比，因此网格尺寸越大越好。但是网格尺寸越大，分析的精确度就越小，因此应尽可能均匀地划分网格。本试验铁塔网格划分如图3所示。

图3 杆塔的网格划分图

1.3 施加荷载和进行作业

将不同工况下铁塔的导地线挂点承受的荷载、塔各分段承受的横向风荷载分别施加到计算模型中，施加节点及集中荷载数值与真型试验完全一致。直线塔试验包括7种工况，见表4，耐张塔试验包括8种工况，见表5。

表4 直线塔试验工况

表5 耐张塔试验工况

进行数据检查，提交作业，完成数值模型的建立和计算，并导出不同工况下的位移和应变计算结果。

2 重冰区铁塔试验概况

2.1 试验工况

2K直线塔和耐张塔采用基于杆单元模型的道亨满应力设计软件进行构件内力计算和选材，并用Smart Tower软件进行结构校验。选取7种(2K21-ZBC3塔)和8种(2K31-JC1塔)工况分别进行试验，包括大风、覆冰、断线、不均匀冰和验冰等工况，试验顺序和具体工况分别见表4和表5。

2.2 荷载施加和测点布置

1)直线塔试验。

工况1～工况6垂直、纵向荷载按设计荷载的0、50%、75%、90%、95%、100%、0的顺序加载，工况7垂直、横向荷载按设计荷载的0、50%、75%、90%、95%、100%、105%、110%、115%、120%、125%、130%、135%、140%、145%、150%、0的顺序加载。

直线塔共布置了10个位移测点，分别位于塔头导地线挂点处、地线支架与横担相交处、“K”节点处、塔头塔身相交处以及塔身主材与斜材相交处；另布置了39个应变测点，分布于导地线挂点附近的主材和斜材、应力变化较大的主材和斜材以及关键的隔面材上。

直线塔位移观测点、应变观测点布置和试验照片如图4所示。

图4 直线塔真型试验测点布置图

2)耐张塔试验。

工况1～工况7垂直、纵向、横向荷载按设计荷载的0、50%、75%、90%、95%、100%、0的顺序加载，工况8垂直、纵向、横向荷载按0、50%、75%、90%、95%、100%、105%、110%、115%、120%、125%、130%、135%、140%、145%、150%、0的顺序加载。

耐张塔共布置了9个位移测点，分别位于塔头导地线挂点处、地线支架和导线横担与塔身相交处、主材变坡处以及最下端隔面与主材相交处；另布置了44个应变测点，分布于导地线挂点附近的主材和斜材、应力变化较大的主材和斜材以及关键部位的主材上。

耐张塔位移观测点、应变观测点布置和试验照片如图5所示。

试验结果显示，各观测点的纵、横向位移值变化合理，铁塔各部件未见明显异常，表明铁塔整体强度满足规范和工程要求。

图5 耐张塔真型试验测点布置和现场图

3 计算结果分析

3.1 位移值对比

选取直线塔2K21-ZBC3-27的工况5(大风)和工况7(验冰)，以测点5为例，对ABAQUS模拟计算值与试验值进行对比，结果如图6所示(图中X值为横向位移、Y值为纵向位移、Z为竖向位移，下同)。

选取耐张塔2K31-JC1-18的工况4(覆冰)和工况8(验冰)，以测点9为例，对ABAQUS模拟计算值与试验值进行对比，结果如图7所示。

图7 耐张塔位移试验值和计算值对比

从图6、图7可知，纵向位移计算值小于试验值，横向位移计算值与试验值相近，竖向位移计算值小于试验值。

3.2 应变值对比

角钢塔应变较大的杆件通常为主材和变坡处的斜材。直线塔选取测点3，10，15，24，25，以工况5(大风)和工况7(验冰)为例，对ABAQUS模拟计算值和试验值进行对比，结果如图8所示。

图8 直线塔应变试验值和计算值对比

耐张塔以工况4(覆冰)和工况8(验冰)为例，选取测点1，5，8，16，29，对ABAQUS模拟计算值和试验值进行对比，结果如图9所示。

3.3 位移和应变值对比分析

经对比分析，ABAQUS模拟计算值与铁塔真型试验值结果相近，说明ABAQUS有限元模型模拟计算的铁塔节点位移和杆件静力应变与实际情况相符，采用梁—桁架单元能够较好地反映塔材杆件轴力、应变应力变化规律。

从图6和图7的结果对比可以得出：

1)导线挂点的纵向模拟计算值比试验值小，横向模拟计算值与试验值相近，竖向模拟计算值比试验值小。

2)试验铁塔变形呈线性增加。铁塔杆件处于弹性阶段时，计算值与试验值的差值比例随荷载施加值的增大而减小。

3)试验值偏大的原因主要有螺栓滑移、纵向施荷钢丝绳的附加重力因素、加工误差及安装间隙等[8-10]。

图9 耐张塔应变试验值和计算值对比

从图8和图9的结果对比可以得出：1)在覆冰和验冰工况下，横担以上主材的试验值/计算值比值较横担以下试验值/计算值比值大，主要是因为横担以上主材和斜材规格较小，螺栓滑移效应更明显。

2)导线挂点处和主材变坡处斜材的试验值与计算值之间的差值较大，进行理论计算及铁塔设计时，应适当增加此关键部位的斜材规格。

4 结论

1)经真型试验，验证了本文所述的直线塔和耐张塔的结构安全性。当荷载加到设计荷载的150%时，此两基铁塔仍未被破坏，说明其结构设计偏于保守，结构安全裕度较大。

2)ABAQUS位移计算值比试验值小，且施加的荷载越小，差值比例越大。模拟计算时，可根据实际情况进行计算结果后处理。

3)ABAQUS应变计算值与试验值的差值，与主材所处位置相关。建模计算时，应将横担以上主材、导地线挂点及主材变坡处的斜材应力适当提高，以更好地保证铁塔结构的安全。

本文只分析了主材和小部分斜材的位移与应变计算值及试验值的关系，大部分斜材和辅助材未作分析，后续工作将对这些斜材和辅助材的变形与受力进行研究，更准确地模拟杆件受力情况，指导铁塔更合理的设计。