强风作用下高压输电塔破坏分析

宋子良 南阳 张世杰

摘 要：高压输电塔是在强风荷载作用下的倒塔情况，是影响输电线路安全运行的重要因素之一。选用浙江温州某输电线路中的一座35 kV输电塔，建立有限元模型，在风速为40 m/s下，施加90°风向角时风荷载，并分析塔身内部位移、应力变化。

关键词：输电塔;有限元;静力响应

0 引言

高压输电塔是电力系统中重要的组成部分，而风荷载对输电塔的影响是引起倒塔事故的重要原因之一[1]。近年来，输电塔在强风天气下频繁出现风灾事故。本文参考某输电塔220 kV电线路中，利用ABAQUS有限元软件，建立输电塔有限元模型，对塔身施加风速为40 m/s，风向角为90°时的风荷载。

1   输电塔有限元模型的建立

塔高46.95 m，呼高40 m。如图1所示，铁塔由单角钢用螺栓偏心连接而成，角钢截面为“L”型，铁塔辅材采用Q235钢，主材采用Q345钢，采用23种不同截面规格角钢，角钢材料参数如表1所示。在有限元模拟软件ABAQUS中，将铁塔模型建立完成。

2风场模拟

风荷载计算采用《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）中规定的方法[2-3]，如下式：

式中：ωK为杆塔塔身或横担风荷载的标准值（KN）;βZ为z高度处的风振系数，取1.67;μS为风荷载体型系数，取2.6;μZ为风压高度变化系数，取1.17;ω0为基本风压     （KN/m2）;v取30 m/s、40 m/s。

在加载时具体计算塔身结构构件迎风面的投影面积，将风荷载转换为风压，平均的分配到每段塔迎风杆件节点上。

3   风速40 m/s时输电塔静力响应分析

铁塔倒塌的过程如下：如图2所示，输电塔在风速为     40 m/s的风荷载持续施加下，经历了13.3 s最终破坏。风荷载加载到5 s时，塔身情况如图2（a）所示，塔身轻微倾斜，塔身内部最大应力达到34.12 MPa;在10 s时，如图2（b）所示，塔身倾斜明显，最大应力出现在塔身中段主材，为140.4 MPa，直至13.3 s，如图2（c）所示，塔脚与塔身连接处背风面主材达到550 MPa屈服应力，杆件发生失稳破坏，其附近的杆件相继失稳破坏，输电塔最终失去承载力，塔身主材及辅材发生大范围破坏，最终无法继续承受风荷载发倒塌。

根据图3所示，可以看出塔脚、塔身、塔顶三点位移随时间的变化。塔顶位移随时间变化最大，在输电塔失去承载力时，塔顶位移达到780.72 mm。其次是塔身，位移达到260.81 mm，最后是塔脚，破坏时位移只有10.66 mm。

迎风面三点的应力，与50 m/s风速工况对比，三点应力变化情况差异不大。塔顶应力最大达到19.81 MPa，塔身中点在0～13 s过程中，应力随荷载的持续施加逐渐增大，到144.93 MPa，在第13 s至破坏过程中应力变化不大，甚至稍有减小。塔脚应力在0～10 s过程中与塔身中点相似，应力逐渐增大到161 MPa，随后应力突然增大，直到261 MPa，并未达到屈服强度。塔顶应力最大至6.28 MPa，塔身中点背风面应力与迎风面变化类似，0～13 s逐渐增大至146.96 MPa，而后变化不大，塔脚处应力在0～13 s内由0 MPa增至2.78 MPa，而后应力在3.3 s内突然增大，直到366.76 MPa。原因與分析    50 m/s工况时相似，可能因为应力集中。

4   结语

背风面主要受压，这时的主材承受轴向压缩，横截面尺寸发生突然改变致使截面上应力不再均匀分布。同时从云图中可以分析出，有杆件达极限屈服应力，最终发生破坏。所以，在后续的加固工作中，应格外关注塔腿与塔身连接部分。

[参考文献]

[1]李士锋，李宏男，张卓群，等.强风荷载作用下输电线路的连续倒塌破坏分析[J].防灾减灾工程学报，2017（5）：835-841.

[2]张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].上海：同济大学出版社，1990.

[3]肖正直.特高压输电塔风振响应及等效风荷载研究[D].重庆：重庆大学，2009.

（编辑 何 琳）