1 000kV交流单回路应用角钢钢管混合塔结构优化及真型试验

徐伟东，杨礼东，张 健

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

为了实现能源的有效利用及治理京津等地区的雾霾，开发超大容量、远距离的输送电技术成为现阶段我国电力发展的迫切需要，因此近年来我国建立了多条1 000kV特高压输送电线路。锡盟—胜利1 000kV特高压工程中，首次在单回路线路中使用了角钢钢管组合铁塔，取得了较好的经济效益。

本文使用中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司自主研发的三维有限元软件TTA及ANSYS软件对单回路角钢钢管组合铁塔进行了对比优化设计，并在天津霸州试验场进行了1∶1的真型试验。通过对试验结果与理论计算的对比分析，发现角钢钢管组合结构具有很高的可靠度。

1 铁塔结构性能分析

1.1 结构分析模型

特高压角钢钢管组合铁塔J30103外形采用干子型铁塔，全高71.8m，跟开17.24m，塔身质量为109.6t。塔身主材和瓶口以下交叉材采用钢管，横担主材及辅助材以及塔头交叉材采用角钢。结构模型见图1，图中单位为mm。

1.2 结构静力分析

采用三维有限元软件TTA及ANSYS对铁塔J30103进行对比优化设计。其中塔身、横担主材及塔身交叉材采用梁单元进行模拟，其余杆件采用杆单元进行模拟，有限元三维结构计算模型见图2。

通过TTA及ANSYS软件的对比优化设计，使得结构的应力及质量达到最优，2个软件设计完成后的主要杆件的应力对比见表1，横担主材为Q420，塔头和塔身主材为Q345。

1.3 结构动力分析

图1 铁塔J30103结构模型

图2 三维结构计算模型

采用子空间迭代方法对单塔模型进行全模态分析，用ANSYS软件进行的模态分析是比较精确的。分析完成后，本单塔模型的前4阶频率以及周期见表2，模态形状见图3。

表1 主要杆件TTA及ANSYS软件计算应力对比MPa

表2 铁塔J30103模型的频率及周期

从分析结果可以看出，铁塔J30103的前3阶振型分别为X方向振动、Y方向振动及扭转振动，第4阶以及更高阶振型为局部振型。

2 铁塔真型试验

2.1 试验工况

考虑到试验费用及时间限制，难以按照设计工况逐一进行，因此在正常运行、安装和事故断线三大类基本工况中各挑选几个代表工况进行试验，具体见表3，荷载加载点见图4。

2.2 位移及应变观测点

图3 模态分析结果

位移观测点的选择应在能反映出铁塔整体挠曲线的同时，兼顾变形最大位置的观测。J30103试验塔位移测点布置见图5a。应变观测点的位置应该符合以下原则：铁塔主要传力构件（如塔身、塔腿、横担主材）；铁塔计算时各试验工况下某个应力均较大的杆件；局部构造或节点处传力与实际存在差异的部位。铁塔J30103应力观测点见图5b。

表3 铁塔J30103试验工况

图4 荷载加载点

2.3 试验结果分析

2.3.1 内应力试验结果分析

a.主材轴向应力分析。试验工况为工况2，即90°大风，前侧大张力，后侧小张力，塔头、塔身及塔腿部分主材在各加载至100%时的内应力实测值与按照DL／T 5154—2012《架空输电线路结构设计技术规定》计算的理论值对比见表4。由表4数据可见，铁塔主材轴向应力实测值与理论值的偏差在10%以内，实测内应力和计算内应力偏差较小，主要原因是应变片实测值未计及铁塔自身重力。

图5 位移及应力观测点

表4 主材轴向应力实测值与计算值对比

b.位移观测结果分析。J30103试验塔的最大位移发生在D1点，为工况6，即45°大风，前侧大张力，后侧小张力（破坏），具体数值见表5。由表5可知，最大横向位移为623mm，最大纵向位移为73 mm，最大垂直位移为234mm。

2.3.2 应力观测结果

6个工况的主要应力观测结果见表6，可以看出，第6工况为最危险工况，当荷载施加到100%时，塔身主材Y15、Y16、Y18实测应力分别达到了308.49、286.02、303.66MPa，接近设计应力，说明J 3 0 1 0 3结 构 的 设 计 时 非 常 合 理 。当 荷 载 施 加 到130%时，主材应力迅速增加到576.24MPa（实测应变为2 744），说明结构已经进入塑性状态，但是由于钢管结构属于高次超静定结构，因此结构仍然能够安全工作。

表5 最大位移观测点数值mm

表6 应力观测结果 MPa

本次试验加载到130%的设计荷载时，铁塔并未破坏，按照以往经验钢管的破坏荷载能达到设计荷载的150%左右，这是因为现在的行业规范是按照弹性设计方法对钢管塔结构进行设计的。而钢管的内力重分布能力强，当钢管局部发生屈服时，其内力会重新分布，只有当多个关键节点的结构构件陆续屈服，形成不稳定结构，铁塔才会破坏。按照弹性理论设计的钢管塔承载能力比实际承载能力要偏小很多。

3 结论

通过对铁塔J30103进行TTA及ANSYS的对比优化设计以及真型试验得到以下结论。

a.由于钢管塔变坡处以及塔腿部位结构刚度发生突变，次生弯矩较大，因此实测应力比计算应力稍大，设计中应予以考虑。

b.由于钢管角钢混合结构属于高次超静定结构，虽然在试验过程中，主材的应力已经远远超过材料的屈服应力，但由于结构的应力重分布，使得结构仍然能安全运行。

c.通过真型试验可以看出，角钢钢管组合结构的安全性要远大于角钢塔。