特高压酒杯塔组立过程中的结构强度分析

吴明春 丁浩然 许克克 杨平 李光泽 王爽 唐波 刘铃

摘  要：特高压大跨越酒杯塔由于其结构的特殊性，在其施工组立过程中安全风险极大，需进行铁塔结构强度的计算和校核。该文以某特高压大跨越酒杯塔为例，针对塔头组装过程，选择典型的铁塔组立状态，运用有限元方法，对其进行强度校核和计算，得到铁塔结构的应力和位移分布规律，结果表明，增设对拉拉线后，铁塔组装处于状态一、状态二、状态三时，其结构强度满足要求。针对铁塔组装状态三，为便于铁塔横担中间连接部位的构件安装就位和紧固螺栓，需在两曲臂之间增设对拉拉线，并将对拉拉线的拉力调整至16.3 kN，进而将铁塔横担中间连接位置的距离缩短为2 mm。该文的研究结论可为制定科学合理的铁塔施工方案提供参考，保证特高压输电铁塔施工安全高效地进行。

关键词：酒杯塔；有限元；拉线；强度分析；特高压

中图分类号：X705      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0064-04

Abstract： Due to the special structure of the ultra-high voltage large span wine glass tower， there is a great safety risk during its construction and assembly process， and it is necessary to calculate and verify the strength of the tower structure. This paper takes a certain ultra-high voltage large span wine glass tower as an example， and focuses on the assembly process of the tower head. A typical iron tower assembly state is selected， and finite element method is used to verify and calculate its strength. The stress and displacement distribution law of the iron tower structure is obtained. The results show that after adding diagonal braces， the structural strength of the tower assembly in states one， two， and three meets the requirements. For the assembly status three of the iron tower， in order to facilitate the installation and fastening of the components at the middle connection position of the cross arm of the iron tower， it is necessary to add a pulling wire between the two curved arms， and adjust the pulling force of the pulling wire to 16.3 kN， thereby reducing the distance between the middle connection position of the cross arm of the iron tower to 2 mm. The research conclusions of this paper can provide a reference for the formulation of a scientific and reasonable tower construction plan and ensure that the construction of UHV transmission tower can be carried out safely and efficiently.

Keywords： wine glass tower; finite element; cable drawing; strength analysis; UHV

特高压输电铁塔是电网的关键设备之一，其塔身高度高、构件重量和尺寸大，在铁塔施工组立过程中安全风险大，特别是酒杯塔，其塔头宽，曲臂K节点处结构强度薄弱，因此针对特高压铁塔组立过程中的各个组立状态和工况，需对铁塔结构进行强度校核计算，进而制定安全有效的施工技术方案和措施，保障铁塔施工安全[1-3]。

在铁塔结构强度分析方面，通过建立铁塔模型，运用有限元方法，对特高压酒杯塔这类高耸结构进行计算分析，可以高效、准确地实现铁塔结构稳定性、杆材强度的校核，降低分析成本，在实际工程中得到了广泛的应用[4-7]。窦汉岭等[8]通过有限元软件建立了转角输电塔线耦联模型，通过模态分析研究了模型的动力特性，采用谐波合成法在MATLAB软件中模拟出风荷载，最后通过Newmark法对转角输电塔线体系的风振响应进行时程分析；冯炳等[9]通过有限元软件建立某酒杯塔模型，对其塔头结构在均匀覆冰、不均匀覆冰和脱冰动力荷载等作用下的覆冰破坏形态进行了分析，得出酒杯塔塔头在覆冰各工况下的结构薄弱点主要集中在地线顶架与K节点周边杆件的结论；徐明鸣[10]通过有限元软件建立某220 kV枪型酒杯直线塔，分别在绝缘配置、塔头间隙、脱冰跳跃和结构受力等方面进行了设计与分析，并对比了酒杯塔、猫头塔和枪型塔的塔头尺寸及造价，得出枪型塔经济性最优的结论。

从目前的研究来看，大多针对在运行的输电铁塔建立力学分析模型，计算和分析其结构强度和稳定性，而对施工组立过程中的输电铁塔进行强度分析的较少。本文以某特高压工程大跨越酒杯塔为例，针对塔头组装过程，选择典型的铁塔组立状态，运用有限元方法，对其进行强度校核和计算，分析铁塔的稳定性，获得塔头安装就位的关键力学参数，为制定科学合理的铁塔施工方案提供参考，保证特高压输电铁塔施工安全、高效地进行。

1  特高压酒杯塔力学分析模型构建

输电铁塔可以看成是若干杆和梁相互连接而成的空间桁架结构，其建模过程是一个较为复杂的过程，涉及到建模单位制的统一、建模单元的选取、角钢的朝向等问题。为提高建模的效率和准确性，本文以某特高压工程大跨越酒杯塔为例，根据其实际结构尺寸，采用模块化建模的思想，将整个输电铁塔结构分为若干小段，利用ANSYS有限元分析软件的APDL程序化设计语言进行建模，再利用节点耦合方式进行整个铁塔结构的组装，进而完成铁塔的建模。建立的酒杯塔有限元模型如图1所示。

2  典型铁塔施工组立状态和强度分析工况

在铁塔组立过程中，当铁塔横担结构未安装完成时，铁塔的上下曲臂部位由于其结构的特殊性，容易因强度不足而产生失稳等安全风险，需对其进行强度和结构稳定性分析及校核。选择铁塔塔头组装过程中的3种典型状态，分别建立上述3种组立状态的铁塔模型，并进行网格划分，得到铁塔结构强度有限元分析模型，在此基础上，对铁塔结构强度进行计算分析。各状态分别如图2—图4所示，其中图2为塔窗内的横担未开始组装的状态，图3为塔窗内的横担部分组装的状态。图4中塔窗内的横担完全组装，但横担中间连接点未用螺栓进行连接。考虑到酒杯塔塔头未组装完成时有发生结构失稳的风险，因此针对图2和图3对应的铁塔组立状态，在塔头两侧曲臂之间设置对拉拉线。

3  典型施工组立工况下铁塔结构强度分析

在本文建立的3种不同组立状态的铁塔模型上施加重力荷载，约束塔腿底端4个关键点，运用有限元方法，对铁塔结构强度计算和分析。3种铁塔组立状态时，铁塔结构产生不同程度的变形、位移和应力，状态一至状态三时，铁塔的位移分别如图5—图7所示。状态三时铁塔塔头在垂直于线路方向的位移和米赛斯应力分别如图8—图10所示。

由图5—图7可知，在重力荷载作用下，铁塔组装处于状态一、状态二、状态三时，铁塔的最大总位移发生在塔头两侧，分别为217.93、215.32、324.04 mm；垂直线路方向的位移值分别为62、60.6、148.46 mm，状态三时铁塔塔头在垂直于线路方向的位移达到148.46 mm，其分布情况如图8和图9所示。状态一、状态二、状态三对应的铁塔最大米赛斯应力值分别为185.65 、185.65、185.31 MPa，均小于铁塔材料的许用强度值345 MPa，结构安全稳定性满足要求。图2和图3对应的铁塔组立状态，在重力荷载作用下，塔头两侧曲臂之间的对拉拉线的拉力分别为40.7 kN和39.5 kN。

针对铁塔组立状态三，由图8和图9可知，铁塔横担中间处连接螺栓尚未安装，塔头垂直于线路方向的最大位移达到148.46 mm，左右两端上曲臂结构呈现由中心向两端外倾覆的趋势，此时结构稳定性较低，存在一定的安全隐患；同时由图9可知，在铁塔横担中间连接处，两侧构件相距较远（约82 mm），不利于横担中间连接部位构件及其螺栓的就位和安装。因此也需在塔窗顶端的曲臂两侧增设2根对拉拉线，缩小横担中间连接处之间的位移和空隙，便于横担中间部位的连接就位和螺栓紧固，同时提高铁塔塔头结构的稳定性，本文通过计算得知应施加到拉线的拉力为16.3 kN。增设2根对拉拉线后，仍考虑重力荷载对铁塔结构的作用，其位移、应力情况如图11—图14所示。

对比图7和图11可知，增设对拉拉线后，铁塔组立至状态三时，最大总位移值由324.04 mm减少为212.17 mm；对比图8和图12可知，垂直线路方向的最大位移值由148.46 mm减少为60 mm；根据图13可知，增设对拉拉线后，铁塔横担中间连接位置的距离由几十毫米（约82 mm）缩短为几毫米（约2 mm），这对后续铁塔横担中间连接处的构件的安装就位和紧固螺栓十分有利。因此，在实际铁塔组立施工安装至状态三时，可将对拉拉线的拉力调整至16.3 kN。由图14可知，增设对拉拉线后，状态三的最大应力值为185.31 MPa，小于铁塔材料的许用强度值345 MPa，此时铁塔结构强度满足安全要求，结构稳定。

4  结论

本文以某特高压工程大跨越酒杯塔为例，针对塔头组装过程，选择典型的铁塔组立状态，运用有限元方法，对其进行强度校核和计算，结果表明，铁塔组装处于状态一、状态二、状态三时，其应力均小于铁塔材料的许用强度值345 MPa，结构强度满足要求。为便于铁塔横担中间连接部位的构件安装就位和紧固螺栓，需在两曲臂之间增设对拉拉线，并将对拉拉线的拉力调整至16.3 kN，进而将铁塔横担中间连接位置的距离由82 mm缩短为2 mm。本文的研究结论可为制定科学合理的铁塔施工方案提供参考，保证特高压输电铁塔施工安全高效地进行。

参考文献：

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[2] 黄晓予，阮筱菲，陈俊.浅析输电铁塔结构加固方法[J].能源与环境，2022（5）：29-31.

[3] 赵云龙.微地形下特高压输电铁塔风振响应特性研究[D].福州：福州大学，2021.

[4] 卢银均，刘闯，陈磊，等.特高压输电铁塔动力特性分析[J].东北电力技术，2019，40（4）：21-24.

[5] 电力规划设计总院.特高压架空输电线路杆塔结构设计技术规程：DL/T5486—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.

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[10] 徐明鸣.重覆冰山区陡坡220 kV枪型酒杯直线塔设计研究[J].吉林电力，2022，50（2）：36-38，42.