抢修型直流单柱式拉线塔受力性能研究

徐明鸣

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，长沙 410007）

抢修杆塔要求加工、运输和组装方便，以便在最短的时间内恢复供电。拉线塔有较好的整体稳定性，能承受较大的轴向压力，拉线能承受很大的拉力，使拉线塔能充分利用材料的强度特性而减少材料用量；拉线塔构件少、质量轻、运输及组装方便，采用机械施工速度很快，将塔起立稳定后即可吊装导、地线，抢修速度快从而能够在最短的时间内恢复送电，减少停电时间，保证供电的可靠性；同时，拉线塔采用分段组装的形式，段与段之间用标准方式连接，可随意互换，组装快捷，保证连接牢固可靠。本文对抢修型拉线塔的优点进行介绍，并以800kV特高压输电线路为例，分析其受力性能。

1 抢修型拉线塔介绍

拉线式输电塔结构一般由地线塔头、横担、主柱以及钢索四部分组成。拉线塔的主体结构为桁架构架体系，在预加拉力的钢索下保证其稳定，这种体系结构具有自立式杆塔不可比拟的优点：第一，由于拉线输电塔采用的是悬索结构，吸取了悬索结构一系列独具的优点，如质量轻、基础荷载小、立柱可以利用原有基础、拉线基础可以预制、造价便宜、跨度大、易于架设等，从而使基面易于处理、加工、施工方便，加快建设进度；第二，拉线输电塔受力简单、明确，纵向、横向水平力都由拉线承担，减少了主体结构构件的受力，使选材更加经济适用；第三，由于拉线式输电塔本身的结构特点，在技术安全可靠的前提下，相对于自立式塔可以大大节约材料［1］。

从受力模型、几何组成等方面分析，拉线抢修杆塔由与基础铰接的主柱和施加预拉力的拉线组成空间杆索结构体系，杆身主柱是主要的承载结构，拉线则保证杆身的直立与稳定，其结构特点是高度大，横截面相对较小，杆身长细比通常在1／80以内，横向荷载起主要作用。与一般结构相比，拉线抢修杆塔的空间结构形式使其受气候影响更为显著，风荷载和覆冰荷载常常为抢修杆塔结构的控制荷载。

基于上述优点，抢修型拉线塔与常规工程拉线塔主要区别如下。

a.取消了双主柱布置型式，采用大截面单格构式主柱，以便缩短加工及安装工期。

b.拉线及主柱标准化分段布置。综合考虑山区场地小，不利于拉线布置，控制山区地区拉线对地夹角60°，平地对地夹角45°。考虑到备料方便，直线和转角塔应采用相同的标准段。

c.常规拉线塔构件，材质一般为Q235B、Q345B及Q420B，而抢修型塔构件采用高强铝合金材质，充分发挥铝合金具有强度高，质量轻的优点。根据计算采用高强铝合金可降低塔身质量约38%，其搬运数量及组装数量约为常规塔的一半，由此估算得出可节省人工50%，提高组装效率50%。

2 单柱拉线塔有限元计算模型

针对±800kV特高压线路的特点，提出了抢修型单柱式拉线塔的方案，运用SAP2000有限元分析软件对拉线塔主要进行受力、变形及自振特性对比分析。设计条件为：导线采用6×JL1／G2A-1250／100钢芯铝绞线，地线采用JLB20A-150铝包钢绞线，设计风速27m／s，设计覆冰15mm。

模型假定材料为各向同性硬化材料，符合初始屈服条件和流动法则，且为相关流动；结构为大位移小变形运动；不计构件加工、安装误差及材料初始缺陷；节点为理想空间刚节点或理想的空间铰接点［2］。对单柱式拉线塔的分析采用两种方案：方案1是不加短横担采用8根拉线，拉线分别按对横担夹角为15°和75°，对地夹角为45°布置；方案2是加短横担采用4根拉线，拉线对横担夹角为45°，对地夹角为45°布置。采用拉索单元模拟拉线，并施加预加力，拉线的初始应力控制为120～140MPa［3］。

3 单柱拉线塔静动力分析

考虑到拉线大变形小应变的非线性影响，对计算模型进行了非线性受力分析分别从静力和动力两方面探讨拉线塔的受力性能。

3.1 静力分析

考虑到拉线塔为柔性结构，不能忽略几何非线性的影响，分别针对拉线塔的各分析工况进行了非线性静力计算，方案1的分析结果见图1，方案2的分析结果见图2。方案1、方案2各工况下拉线塔的拉线内力、立柱底竖向反力、塔身主材内力、塔头主材内力以及塔顶位移见表1、表2，表中数据负值表示压力，正值表示拉力。

图1 方案1各工况内力

图2 方案2各工况内力

由以上静力计算结果对单柱拉线塔分析如下。

a.从各工况的内力分析结果看出，拉线塔在事故断导线、设计覆冰和不均匀覆冰工况下塔身内力较大，而拉线最大内力为90°大风工况和事故断导线工况。

表1 方案1各主要工况内力

表2 方案2各主要工况内力

b.各主要工况下，方案2的立柱底竖向反力和塔身主材内力均较方案1小30%～40%，分析其原因主要为拉线预应力影响，不加短横担拉线组数比加短横担的多；两方案的塔头主材内力基本相等，经初步估算方案2较方案1节省铁塔钢材2%～3%。

c.方案2拉线内力较方案1大10%左右，根据计算，方案2的拉线规格需采用2×37-20.3-1570或2×19-20-1570，两种型号拉线在国内输电线路中很少采用，拉线金具等需特殊加工；方案1拉线规格2×19-17.5-1570（相当于GJ-180），此拉线规格材500kV线路中已大量采用，拉线金具已有成熟工艺。

d.方案2塔顶位移整体上较方案1大，均满足规范DL／T 5154—2012《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》要求限制；断导线工况下，方案2的塔顶位移较方案1略小，方案2抗扭性能略好。

综合分析表明带短横担方案2的静力分析情况略优于不带短横担方案1。

3.2 动力分析

3.2.1 自由振动方程的建立

体系的无阻尼自由振动方程为：

式中：M为体系的质量矩阵，采用集中质量法形成；ü为节点加速度向量；K为体系的刚度矩阵，K=K0+Kg+Kσ，K0为弹性刚度矩阵，Kg为几何刚度矩阵，Kσ为初应力刚度矩阵；u为节点位移向量。

其特征方程为：

式中：ω为特征值；φ为广义位移阵列。

结构的静力分析结束后可获得结构体系的静力平衡位置及内力。动力分析时，取体系静力终态时的内力和几何坐标作为动力初态，即体系在静力平衡位置附近做微幅振动。即平衡位置的切线刚度矩阵为初始的动力刚度矩阵。求解该特征方程，即可得到计算模型的自振周期和自振模态［4］。

3.2.2 自振特性分析

求解前25阶自振特性，暂且不考虑导地线对拉线塔自振特性的影响，对计算结果进行分析，本文列出前5振型及自振周期，方案1、方案2的振型见图3和图4，自振周期见表3。

自振特性分析结果表明，两方案单柱式拉线塔的第一阶振型均为扭转振型，方案2基本周期比方

图3 方案1振型

图4 方案2振型

表3 方案1、方案2前5阶自振周期

案1小，说明方案2扭转性能相对较好；高阶振型有塔身的侧弯，上下振动振型，振型完整；自振周期分析表明，方案1侧弯振型自振周期较方案2小，说明方案1整体抗弯刚度较方案2好。

4 结论

通过建立了不加短横担的八根拉线方案1和加短横担的四根拉线方案2两个单柱式拉线塔的有限元计算模型，分别进行了拉线塔的静力和动力计算，同时考虑了拉线塔的几何非线性影响，分析结论如下。

a.分析结果表明单柱式拉线塔两个方案均可行。

b.从各工况的内力分析结果看出，拉线塔在事故断导线、设计覆冰和不均匀覆冰工况下塔身内力较大，而拉线最大内力为90°大风工况和事故断导线工况。

c.静力分析结果表明：方案2整体上优于方案1，方案2塔身主材内力比方案1小，综合可节省钢材为2%～3%；但方案2拉线内力比方案1大，拉线规格在输电线路中应用较少，其拉线连接金具等需特殊制作。

d.动力分析结果表明单柱式拉线塔的基本振型为扭转，方案2基本周期比方案1小，方案2扭转性能相对较好。

e.自振周期分析表明：方案1侧弯振型自振周期比方案2小，且静力分析情况下方案1整体位移比方案2小，方案1整体抗弯刚度比方案2略好。