镀锌钢绞线柔性腹杆结构在输电塔中的应用研究

镀锌钢绞线柔性腹杆结构在输电塔中的应用研究

吴海洋 董铁柱 马明瑞 姚国河 谭青海

中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海 810008

摘要：近年来我国电力行业得到非常迅速的发展，电力工程的建设规模也在不断扩大。杆塔结构作为电力系统架空输电线路的主要载具，其安全运行与建造成本越来越受到人们的重视。在杆塔结构设计时，应从实际出发，结合地区特点，积极采用新技术、新工艺、新设备、新材料，推广采用节能、降耗、环保的先进技术和产品。

关键词：镀锌钢绞线柔性腹杆结构；输电塔；应用

引言

在引发电力系统事故的各种自然灾害中，风灾是造成输电塔破坏的主要原因，其次是冰灾，此外还有火灾、水灾、地震灾害、雷电灾害。在设计与研究输电塔性能时，应该重点关注风荷载与覆冰荷载对输电塔的影响，同时，也不可忽视地震的影响。

1输电塔使用镀锌钢绞线柔性腹杆结构优点

输电塔使用镀锌钢绞线柔性腹杆结构主要有以下四个优点:（1）镀锌钢绞线只承受拉力，避免了杆件失稳的缺点；（2）使用镀锌钢绞线便于调节塔架垂直度，能减小安装误差；（3）镀锌钢绞线截面积小，能够一定程度上减少塔身迎风面积与输电塔自重；（4）相对于普通钢材，镀锌钢绞线具有更强的抗拉性能，将其作为受拉构件，更能充分发挥其抗拉性能。

2镀锌钢绞线柔性腹杆结构在输电塔中的应用

2.1静力分析

对输电塔施加六种荷载组合工况时，随着钢绞线预应力的增加，结构最大位移均有所减小，在施加预应力在20%之前效果最明显，当预应力加到30%钢绞线设计强度后，结构最大位移减小幅度开始变缓，但当预应力加到40%钢绞线设计荷载后，荷载工况作用下随着预应力的增加，结构开始出现随着预应力的增加最大位移出现增大的趋势。当预应力施加到20%钢绞线设计荷载后，输电塔便出现最大位移反增的趋势。当钢绞线施加预应力超过40%钢绞线设计荷载后，输电塔最大位移仍然随着预应力的增加而减小。（1）钢绞线施加预应力能显著改善结构刚度，降低结构最大位移；（2）当施加预应力在0～30%设计强度时，最大位移能显著减小，当施加预应力大于30%设计强度后，结构最大位移随着预应力的增加变化不大，甚至部分荷载工况下出现位移反增的情况。在风荷载与覆冰荷载组合工况下，两塔的最大位移值相差不大；在断线荷载工况作用下两塔均出现最大位移，但均远小于规范规定的最大位移限制。

2.2基于SAP2000有限元的输电塔风振响应

输电塔作为风敏感较高的复杂空间耦联高耸结构，自振频率与脉动风频率较接近，易发生共振，产生较大位移，结构容易损坏，因而常在结构设计中把风荷载作为重点考虑因素，必须进行动力效应，合理设计输电塔结构，以增强结构的抗风能力。传统输电塔结构一般采用空间桁架结构，杆件主要由角钢、钢板、钢管制作，且造型单一以及占地面积较多等缺点。对塔身杆件采用钢管且与环境协调较好的新型输电塔。通过matlab模拟地区风荷载，对单塔结构进行了时程分析，得到输电塔在风荷载作用下的风振响应，计算该输电塔的风振系数，并将计算值与DL/T5551—2018架空输电线路荷载规范风振系数取值进行对比以及分析造成两者差异的原因。以新型协调的110kV输电塔为背景，使用SAP2000软件建立有限元模型，在脉动风压作用下，根据有限元软件分析结合理论公式计算了该塔的风振系数，并与规范计算结果进行比较，得到如下结论:1)利用SAP2000模拟0°风向角与90°风向角输电塔得到不同位移响应，其中模型y轴方向的刚度较低，导致模型对0°风向角的风荷载位移响应比较大。2)由于铁塔结构跟规范规定的传统铁塔结构在外形结构上差异较大，且传统结构基底尺寸较大，致使两种方法计算结果偏差较大。故《架空规范》简化计算法适合于传统输电塔桁架结构中差异较小，并不适用于铁塔结构。

2.3预紧力对输电塔节点承载能力

输电塔在强风荷载持续作用下，输电塔节点处螺栓的松动或脱落是塔体倒塌破坏的重要原因之一。我国沿海地区经常发生倒塔事件。因此研究输电塔节点承载力性能的变化对于实际工程而言是十分必要的。在过去的几十年中，输电塔的主流研究为不考虑节点各构件之间的非线性接触相互作用，并采用合适的设计标准对输电塔系统进行常规的设计和构建。然而这种分析方法有一定的局限性，并不能对输电塔在风荷载作用下节点各构件之间应力的变化进行深入研究。以某输电线路猫头塔为实际工程背景来研究铁塔螺栓连接在风荷载作用下的松动问题，提出螺栓在连接过程的松垮造成塔体拼接后刚度不足是强风倒塔的一个重要原因。利用基于精细化有限元模型的非线性接触分析方法，对塔式节点进行性能评估，建立一个利用非线性相互作用接触关系来描述的输电塔节点的数学模型。利用ABAQUS软件，凭借精细三维有限元分析的理论，对输电塔主材上节点的受力性能进行了探究。建立了螺栓的精细模型，给出了在风荷载作用下螺栓与构件相互作用的非线性接触力模型。将我国某实际输电塔工程作为研究对象，验证了该联合分析方法的可行性和可靠性。

2.4输电塔轴心受压构件加固后的弯曲失稳承载力

随着越来越多的钢结构建筑物与构筑物接近使用或运行寿命，又或是因功能需求需要更新换代，加固改造利用技术得到越来越多的关注。架空输电塔架结构，轴心受压稳定承载力往往是构件设计的控制因素，对构件加固的关键因素之一就是如何增大稳定承载力。输电塔架支撑斜材因连接节点复杂、平面外存在其他相邻杆件空间干涉等原因导致杆件无法全长加固，建立部分区段加固的轴心受力构件的力学模型，基于边缘屈服准则与能量法对其弯曲稳定承载力进行理论分析，推导出显示承载力计算公式。通过与有限元求解对比发现：能量法公式在求解轴心受力构件、偏心受力构件时均具有良好精度，可反映出其实际承载规律，其显式表达特性更适用与工程实践的使用，值得进一步的试验验证。

2.5攀爬机附属桁架对输电塔动力响应影响

特高压输电线路的安全运行关系到“西电东送、南北互供”等国家标志性工程，对于合理配置资源、优化能源结构、促进我国社会经济可持续发展具有重要意义。然而，特高压输电塔塔体高的特点给人工攀爬维修带来了困难，攀爬机为电力工人进行检修作业提供了一个安全、便捷的平台，并逐渐成为300m以下输电塔常用的攀爬设施。攀爬机是由钢材组成的桁架结构，并通过作业平台永久固定附着在大跨越输电塔上，与输电塔共同形成一种耦合结构。一般而言，顺风向效应在结构抗风设计中起着主导作用，故主要研究顺风力作用，其他效应不作考虑。风荷载的模拟分为平均风和脉动风两个部分。平均风速采用对数风剖面及其修正公式进行计算，脉动风速采用线性滤波法模拟，风谱选用Kaimal风速谱。之后按照我国规范相关规定来模拟作用于结构上的风荷载时程。在建成输电塔结构模型的基础上，采用特征向量法分别对输电单塔和输电塔-攀爬机附属桁架耦合结构进行模态分析，研究其动力特性。耦合结构中攀爬机的风振系数呈现出下部结构大、上部结构小的分布特点，建议设计带有攀爬设施的输电塔时应考虑在段高区域增加局部约束以限制附属桁架过大的风致振动和局部变形。

结语

总之，输电塔应该关注结构整体倾斜振动破坏、整体扭转振动破坏，这可能是输电塔的薄弱环节，但不需要太关注局部构件振动破坏问题。

参考文献

[1]架空送电线路杆塔结构设计技术规定：DL/T5154—2012[S].北京：中国电力出版社，2012.

[2]110kV～750kV架空输电线路设计规范：GB50545—2010[S].北京：中国计划出版社，2010.