架空输电铁塔塔身段高度对塔腿承载稳定性的影响分析

张 辉，沈佳良，熊建平，李和丰

(国网湖州供电公司，浙江 湖州 313005)

随着社会高速发展和人民生活水平提升，工商业和居民用电量不断增加，使高压输电线路网络不断扩张，架空输电铁塔星罗棋布[1-2]。为了使电力网络安全可靠运行及避免杆塔倒塌和串倒事故，对架空输电铁塔的塔腿承载稳定性进行分析。塔腿是除基础以外铁塔本体最重要的承力部位，本文通过分析铁塔塔身段高度对塔腿承载稳定性的影响，为架空输电线路铁塔设计提供参考。

1 建立塔腿模型

架空输电铁塔主要分为角钢塔和钢管塔2种类型，其中角钢塔具有造价便宜、施工方便和便于采购等优点，广泛应用于架空输电线路工程中。本文只考虑建立角钢塔塔腿模型，不能涵盖所有架空输电铁塔[3]。自然环境条件下，输电铁塔塔腿承受上部塔材自重、风荷载、导地线和金具传导荷载、施工荷载以及冬季覆冰荷载等[4-5]。

某工程铁塔塔腿高7.5 m，铁塔根开6.0 m，塔头高度8.0 m。塔腿整体钢材采用Q345级钢，主材为L125×8型号角钢，斜材为L110×8型号角钢。本文通过ANSYS有限元软件建立该工程塔腿模型，如图1所示。

(a)三维模型 (b)模型立面

角钢模型选用Beam188单元，钢材密度7.85×10-9t/mm2，弹性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.3，屈服强度345 MPa。节点全部采用刚性节点。

在理想条件下，只考虑塔腿上部塔材自重，保持组立塔腿和塔头结构不变，改变塔身段高度，塔身段每增加1 m，塔腿整体承受荷载增加3000 N，塔腿整体承受的荷载平均传递给4个塔腿，每个塔腿承受荷载为

G=0.25×[3000×(L+8)]

(1)

式中：G为每个塔腿承受荷载，N；L为塔身段高度，m。

塔身段高度区间为7.5～28.5 m，每间隔3 m为1组工况，一共选取8组工况，如表1所示。

表1 塔身段高度与每个塔腿承受荷载关系

2 模拟数据分析

通过ANSYS有限元软件对上述8组工况进行模拟分析[6]。塔腿整体选择静力分析类型，根据塔腿在加载状态下的位移云图判断其整体承载稳定性，如图2所示，塔腿整体位移量越大，表明塔腿承载稳定性越差；位移量越小，表明塔腿承载稳定性越好。

(a)工况1 (b)工况2

由图2可知，对于所建立的塔腿模型，塔身段高度7.5 m时，塔腿整体位移量最小；塔身段高度每增加3 m，塔腿整体位移量逐渐增大；塔身段高度28.5 m时，塔腿整体位移量最大。

塔身段高度与塔腿整体位移关系如表2所示。通过MATLAB数值分析软件绘制塔身段高度与塔腿整体位移关系如图3所示，采用牛顿差值法[7-8]分析得出塔腿整体位移为

图3 塔身段高度与塔腿整体位移关系

表2 塔身段高度与塔腿整体位移关系

X=-3.15×10-7L7+3.78×10-5L6-1.89×10-3L5+5.06×10-2L4-0.78L2+6.99L2-32.96L+64.22 (7.5≤L≤28.5)

(2)

式中：X为塔腿整体位移，mm。

3 结论

a.对于组立同一结构塔腿，塔身段高度变化对塔腿承载稳定性有一定的影响。塔身段高度在不小于7.5 m且不大于28.5 m情况下，塔身段越高，塔腿整体位移越大，塔腿承载的稳定性越差，塔身段每增高3 m，塔腿整体位移增加约0.3 mm。

b.对塔身段高度与塔腿整体位移的关系采用牛顿差值法进行分析，可以为架空输电线路铁塔设计提供参考，达到优化设计过程的效果。