国外拉V塔优化设计及真型试验应用研究

雷光杰，鄢本存，文永庆

(中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007)

近年来，随着一带一路项目的逐步推进，国内产能逐渐向外扩张，国外输电工程特别是非洲输电线路工程逐渐增多。线路经过的大部分地区都是人烟稀少、地形平坦的草原或者沙漠。拉V塔因其结构重量轻、构造简单、造价低等特点在这些地区得到了广泛的应用。拉V塔由铁塔本体和拉线共同组成，拉V塔主柱一般为角钢构成的格构柱，常见的截面主要是方柱，具有良好的抗压承载力；拉线由高强度钢绞线做成，能承受较大的拉力。两种材料各取所长，充分发挥各自的强度特性，使选材达到经济合理。然而如果拉V塔的优化设计不当，就会对输电线路的安全埋下隐患。目前国内对于拉线塔的研究大多是利用有限元软件对既有拉线塔进行一些理论分析与计算，缺乏对拉线塔进行整体系统的优化及真型试验的成果验证。如文献[1]利用ANSYS，建立双柱悬索拉线塔的壳单元模型和常规梁单元模型，在试验工况下模拟拉线塔主、斜材杆件应变随荷载的变化。文献[2]针对具体的工程实例，对拉门塔严重变形的部位建立了有限元模型，进行屈曲分析，并给出补强建议。文献[3]从理论上探讨了冲击波荷载作用下拉线塔的动力响应问题，提出在大变形条件下用非线性有限元分析这类结构的有效性。文献[4]结合对拉线塔的设计实践和经济性比较，提出了山区工程中拉线塔的适用条件，取得了较好的经济效益和社会效益。文献[5]利用SAP2000软件建立拉线塔模型，导入基于MATLAB编程实现的AR法脉动风，研究拉线塔在风荷载作用下的动力响应，统计拉线塔的风振系数取值，并与多种现行规范进行比较，对拉线塔结构抗风设计给出建议。文献[6]对±800 kV悬索拉线塔静力稳定性进行研究，发现风荷载及初始预拉力对背风侧立柱沿线路方向的静力计算长度系数有较大影响，并给出了影响曲线。

本文依托津巴布韦旺吉电厂三期扩建工程，对拉线初始张力对结构基频影响、拉线优化布置、塔头结构布置、塔身主柱尺寸、主柱的初始缺陷控制进行多角度分析，给出拉V塔优化设计的合理建议，并建立索梁桁有限元模型，通过真型试验验证理论模型的有效性。

1 拉V塔理论分析

1.1 工程背景

以津巴布韦400 kV拉V塔(图1)为研究对象，该塔设计呼高27～42 m，水平档距和垂直档距分别为480 m和650 m，导线和地线分别为ACSR-BISON和GSW-19/2.64(OPGW-150)，拉线极限应力1 400 MPa，设计气象条件如表1所示。

图1 拉V塔及拉线金具连接示意图

风荷载计算执行IEC60826，角钢选材执行ASCE10-97。

1.2 拉V塔优化设计

拉V塔主要分为塔头、主柱及拉线三部分。在电气间隙一定的前提下，拉V塔塔头尺寸也已确定，因此优化的重点在于主柱尺寸和拉线的布置角度及初始预拉力。对塔头的优化仅限于杆件布置方面。

1.2.1 拉V塔的整体布置

在电气间隙一定的前提下，铁塔布置越“紧凑”则整体经济性越理想，针对电气所提间隙圆对拉V塔布置如图2所示。

图2 拉V塔塔头布置示意图

1.2.2 拉V塔塔头布置优化

(1)地线支架采用尖头布置，横担采用尖口横担，如图3所示。在铁塔布置时采用较优的尖口布置，该布置形式与“鸭嘴”布置相比，横担及地线支架的交叉材(或单斜材)腹杆均是零杆，按照辅助材的长细比选材，可有效降低塔重。

图3 尖口横担示意图

(2)横担上下平面主材平行轴布置，斜材采用单斜材布置型式。主材采用平行轴布置与采用最小轴布置相比，可以增加节间长度，避免斜材布置密集，导致塔身风荷载增加；拉V塔横担宽度较小，斜材的长度都不大。经过对比计算，采用单斜材布置形式更加经济。

1.2.3 拉V塔主柱布置优化

(1)拉V塔主柱形式

图4 主柱初设缺陷对承载力影响分析

在以往国内设计的其他拉V塔结构中，拉V塔已应用到500 kV线路上，随着电压等级升高，铁塔高度随之增加，主柱长细比增大，且要承受较大的荷载。主柱长细比较大时，其临界应力受主柱刚度影响较大，有时会发生低应力屈曲的现象。因此，以往拉V塔设计时，其主柱绝大多数采用方形断面，其缀材多采用缀条的形式，且采用角钢做缀条，这样做大大增加了主柱的刚度。

(2)主材平行轴布置

主材的平行轴布置选取原因与横担主材平行轴布置选取原因相同，不再赘述。

(3)主柱初始缺陷控制

应用ANSYS的结构非线性分析计算模块，格构式主柱主材采用BEAM188梁单元，斜材采用LINK8杆单元。主柱底端约束其UX、UY及UZ，主柱顶端约束UX、UY，施加Z向竖直荷载。

对格构式主柱初始缺陷下的承载力进行参数分析，结果见图4。当主柱施加初始缺陷为L/750时(L为格构式主柱的总长)，极限承载力下降17.5%；当主柱施加初始缺陷为L/500时，极限承载力下降23.6%；当主柱施加初始缺陷为L/200时，极限承载力下降39.6%。可见格构式主柱初始缺陷对其极限承载力有明显影响，国外对主柱初始缺陷的规定值大于国内对初始缺陷的规定值，综合考虑国内外规范及有限元分析结果，建议主柱初始缺陷取值为L/500。

利用tower软件，通过风荷载作用模拟初始缺陷，使初始缺陷在规范规定的范围内接近L/500。

1.2.4 拉V塔主柱尺寸优化

通过tower的非线性分析，完成对不同主柱宽度下拉V塔的设计。随着主柱宽度的改变(0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m)，在变化区间内均满足间隙圆的要求，拉V塔上下开口宽度在主柱宽度改变过程中保持不变。随着主柱宽度的改变，主柱长细比也在同步变化，通过对比计算可以看出，随着长细比的增大(主柱变细)主柱的重量降低。主柱长细比控制在70左右时，主柱的重量最小，设计最优。因此本次拉V塔主柱采用1.2 m宽。

1.2.5 拉V塔拉线布置优化

用SAP2000对拉V塔进行动力分析，从动力特性找出结构的刚度薄弱方向，通过调整拉线布置使结构在两个主方向刚度分配合理。计算表明，当拉线与横担夹角较小时，结构的基频主要以扭转振动为主，这是因为此时拉V塔纵向刚度比较小而横向刚度比较大。拉V塔的纵向刚度随着拉线对横担夹角的增大而增大，但是过大的夹角会导致占地面积的增加，同时当结构的纵向刚度远大于横向刚度时，与结构的主要受力方向相悖。通过动力响应分析，初步确定拉线对横担夹角50°，对地面夹角50°。在tower中对拉V塔进行受力分析，发现断线工况对拉V塔控制非常不利，因此调整拉线对横担夹角为60°，使拉线可以更有效地抵抗断线张力。

1.2.6 拉V塔初始预拉力动力分析

在实际工程中必须通过对拉线施加一定的初始预张力以保证整塔的安装和初始刚度。当拉V塔的初始张力较小时，结构整体刚度较差，易发生失稳破坏。在模拟拉V塔正常运行时的受力状态时，文献[7]提到拉线初张力的提高，将使立柱顺风向和横风向加速度响应均方根随之减小，为立柱提供一定的侧向支撑刚度。随着风荷载的增加，迎风侧拉线张紧，背风侧拉线相对松弛；迎风侧主柱受压增加，背风侧立柱受压减小，拉线初张力对拉线和主柱受力的影响明显，且呈非线性的关系。美国ASCE拉线式输电线路结构导则[8]建议最小拉线初始预张力值的选取应保证在常规风荷载作用下背风侧拉线不能完全松弛而导致倒塔。《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[9]规定拉线塔的初始预应力一般控制在120～140 N/mm2。文献[10]对于拉线塔的初始拉力也有相似的结论。对拉V塔的初始预应力进行动力分析，如图5所示。

图5 拉线初始张力对结构基频影响曲线

计算结果表明：当预拉力很小时，结构基频随着初始预应力的增加而显著加大，随着初始张力继续增大，在90～140 N/mm2区间内，结构的基频变化不大。综合考虑国内外规范规定及动力特性分析结果，拉V塔的初始张力取极限破坏力的10%，对应拉线的初始预应力为130 N/mm2。

综合以上优化成果，拉V塔较施工招标量减小塔重18%～20%。

2 真型试验简介

2.1 试验流程

试验前要仔细检查铁塔构件有无缺失、损坏、弯曲，构件的尺寸及厚度不允许有负公差，所有规格的角钢都需要附有出厂检测报告，报告的内容包括材料的强度、冲击韧性、化学性质、构件的镀锌厚度等。

在铁塔组装完成后，需要检查螺栓的安装扭矩、垂直度是否符合试验的规范要求。

试验前以及试验结束后，要进行重力传感器的校测工作。试验开始时，需按照要求的工况依次进行力学性能加载试验。当出现杆件屈服时需立即停止试验。试验采用分级加载的方式，当前一个工况加载到荷载100%且保持2 min后，可进行下一个工况的加载。本次试验的工况有：01断右地线工况，02断左导线工况，03起吊右导线工况，04安装右地线工况，05安装右导线工况，06正常运行90°大风工况。01～05工况加载级别为：50%、75%、90%、95%、100%；06工况加载级别为：50%、75%、90%、95%、100%、105%、110%……至破坏。

将沿塔身高度方向上的风荷载以集中荷载的方式均匀加载到塔头和塔身上，将导地线的垂直荷载、纵向张力及横风向荷载也以集中荷载的方式分别等效到地线和导线的挂点上。试验加荷点布置如图6所示，应变片位置如图7所示。

图6 加荷点布置图

图7 应变片布置图

加荷点通过连有重力传感器的钢丝绳与加荷液压缸相连，该加荷系统为液压闭环自动加荷测控系统，采用分级加载机制进行加载，当本组工况卸载为零时，检测各个部位杆件有无损坏现象，检查无异常后才能进行下一项试验。

2.2 点荷载加载表

试验按照分级加载的原则进行，几个主要控制工况的加载数值见表2。

表2 工况加载表 kN

续表2

3 试验结果及分析

在工况2加载至最终荷载的98%时，传感器显示荷载不再上升，通过观测发现左导线横担下平面主材发生弯曲，随后支撑主材的辅助材均发生弯曲，随即停止加载，发生弯曲的杆件位置如图8所示。

图8 左导线横担受压屈曲

图8中显示的主材破坏形式是典型的受压屈曲破坏，破坏位置发生在塔身连横担的最后一段主材中部，从受力角度分析，横担根部是弯矩最大的位置，但是由于节点板的存在，根部抗侧向刚度较大，因此发生屈曲的位置有所偏移。

原设计横担主材规格为ASTM A572 L100X7，将数值模拟结果与试验结果进行对比分析，如图9所示。图9中，横坐标F/F0为逐级加载比值(F为每级加荷量，F0为最终加荷量)；纵坐标为各加载等级下杆件应力，在荷载接近100%时，数值模拟结果和试验值有一定的差异，原因可能有以下两点。

(1)大量试验研究表明采用美国标准ASCE进行选材时，数值计算结果是偏危险的。关于这点规范[9]DL/T5154-2012的条文说明也有解释：“在设计和试验中有这样的经验，按照ASCE的方法进行设计时比国标设计的铁塔显著减轻重量，但真型试验却往往达不到要求，一个重要原因是美国标准的稳定系数φ不符合我国设计、制造的铁塔，我国的铁塔构造偏心不够小，制造误差比较大，铁塔材质的不均匀性较大”。

(2)采用尖口横担布置固然有诸多优点，但是这种四棱锥布置形式，其平面外刚度小于“鸭嘴”型横担，在大变形条件下，真实的传力体系和数值模拟有一定的偏差。通常情况下力的分配依赖于杆件的刚度，尖口横担在实际构造中，由于加工误差，在横担端部火曲、纵向荷载作用下的大位移、受力偏心等多种因素的作用下，下横担实际承受的荷载比数值模拟大。

图9 模拟计算与试验结果比较

4 结语

(1)横担及地线支架采用尖口布置，其内部腹杆均是零杆，按照辅助材的长细比选材，可有效降低塔重1%～2%。

(2)通过对拉线与地面夹角动力特性参数的分析发现，在综合考虑环境允许的条件下，拉线对横担夹角取值以50°为宜，如果断线张力较大时对地夹角可适当加大。

(3)格构式主柱初始缺陷对其极限承载力有明显影响，综合考虑国内外规范规定及有限元分析结果，建议主柱初始缺陷取值为L/500。

(4)主柱长细比控制在70左右时，主柱的重量最小，设计最优，本次拉V塔主柱采用1.2 m宽。

(5)拉线初张力对拉线和主柱受力的影响明显，且呈非线性的关系。结构的基频和刚度随着拉线初张力的增加而显著增大，在90～140 N/mm2区间内，结构的基频变化不大。本次拉V塔的初始张力取极限破坏力的10%，对应拉线的初始预应力为130 N/mm2。

(6)在采用美国标准进行选材时，关键节点(比如横担连接塔身处)的主材需留有一定的安全储备，建议主材应力比控制在80%～85%。