张卓群+周楠+李宏男+秦玮

摘要：输电塔-线体系作为高负荷电能的输送载体，是一种重要的生命线工程。随着人民生活水平的不断提高和国家经济建设的快速发展，其安全性越来越受到广泛的关注。本文采用ABAQUS有限元软件，并基于显式有限单元法与生死单元法对输电塔线体系进行倒塌破坏分析。分析方法表明：本文提出的方法不仅可以清晰有效地模拟输电塔-线体系在风荷载作用下的倒塌行为和倒塌路径，而且有助于设计者可以依据结构的破坏过程对输电塔结构进行加固等。

Abstract： Transmission tower line system， as the carrier of high load power transmission， is a kind of important lifeline engineering. With the continuous improvement of people's living standard and the rapid development of national economic construction， its security has gotten more and more attention. In this paper， the ABAQUS finite element software is used to analyze the collapse of the transmission tower line system based on the explicit finite element method and the life and death element method. The analytical method shows that the proposed method can simulate the collapse behavior and collapse path of transmission tower line system under wind load and help the designers to strengthen the transmission tower structure based on the structure of the damage process.

关键词：输电塔线体系；动力特性分析；显式有限单元法；倒塌破坏行为

Key words： transmission tower line system；dynamic characteristic analysis；explicit finite element method；collapse behavior

中图分类号：TM753 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0141-02

0 引言

越来越多的输电塔倒塌事故，使得人们对输电塔结构的安全运行能力颇为关注。特别是针对跨越高铁、河道、公路的输电线路，塔体结构的安全度不仅关系到国家电网自身的安全运行，也关系到人民群众的生命安全。因此，针对于这类极易受到外界荷载影响的输电塔结构，如何能对其进行准确、高效的分析与设计，并且评估其安全性能、倒塌性能、可修复情况等，都是目前亟待解决和研究的问题[1-3]。

输电塔-线体系作为高负荷电能输送的载体，是一种重要的生命线工程。因此，本文借鉴建筑行业高层和超高层结构的设计方法，提出采用ABAQUS有限元软件，并基于显式有限单元法与生死单元法对输电塔线体系进行倒塌破坏分析。

1 倒塌分析方法

1.1 结构倒塌模拟软件

ABAQUS是美国ABAQUS公司的核心产品，是国际上最先进的大型通用有限元分析软件之一，具有强大的计算功能和广泛的模拟性能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型，以及分析过程等。无论是分析简单的线弹性问题，还是处理复杂的非线性问题；无论是分析静态和准静态问题，还是处理稳态和动态问题；无论是采用隐式求解方法，还是应用显式求解方法，ABAQUS软件的计算与分析结果都令人非常满意，在工程领域倍受信赖。ABAQUS/CAE、ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit是ABAQUS软件核心的要素，其中ABAQUS/CAE是一个全面支持求解器的前后处理模块，另外两个模块则是软件最为依仗的两种求解方法[4]。

ABAQUS/Explicit是一种显式求解方法，可以实现显式动态分析，适用于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别适用于模拟短暂、瞬时的动态事件（如：倒塌、爆炸、冲击等）。ABAQUS/Explicit的求解仅依赖于一个稳定增量步长，而与载荷的类型和持续时间无关。它的求解方法是在时间域内以很小的时间增量步向前推出计算结果，而无需在每一个增量步求解耦合的系统方程等。因此ABAQUS/Explicit可以大大节省计算时间，高效地求解复杂的非线性问题。本文建立的输电塔-线体系模型，主要是用于模拟输电塔-线体系在强风荷载作用下的倒塌全过程。因为荷载是时刻发生变化的，结构响应也变化的非常快，为了更精确地分析构件瞬时的应力和变形情况，就必须采用非常小的时间增量。如果采用隐式积分方法分析这类问题可能极为浪费时间并且收敛性也很难保证，相反显式积分方法则可将计算时间大大缩短，而且时间步长也能满足积分计算稳定的条件。因此，本文采用ABAQUS/Explicit软件和方法对风致输电塔-线倒塌情况进行模拟与分析。

1.2 输电塔结构生死单元法

模拟输电塔-线体系的连续倒塌过程，实则是模拟输电塔结构局部杆件达到或超过材料自身的极限值时，杆件首先发生破坏或失效，随后导致结构局部发生破坏或损伤，最终致使整塔倒塌的全过程。应用ABAQUS软件分析倒塌过程的难点和关键在于如何能够合理地处理和模拟那些达到或超过极限状态的单元，并且准确地反映出失效单元对其它杆件承载力产生影响的过程。

因此，本文采用生死单元方法中“杀死”单元的方法，最终实现输电塔-线体系的连续性倒塌模拟。生死单元法通常被称之为单元非线性方法，是指一些单元在状态改变时表现出刚度等参数突变的行为。生死单元方法中“杀死”单元的方法就是指，如果某单元达到设定的极限状态，则删除相应单元。所为要达到“单元死”的效果并非将“杀死”的单元从模型中完全删除，而是将其刚度（或传导、或其它分析特性）矩阵乘以一个很小的因子。“杀死”的单元应变、质量、阻尼、比热和其它类似效果也设为零值，并且单元的质量和能量将不被包括在模型求解结果中等[5]。

1.3 输电塔结构的动力方程

输电塔-线体系在外荷载作用下的运动微分方程[1]可以表示为：

在风致输电塔-线体系连续倒塌分析与模拟过程中，随机风荷载将模拟成随时间变化的函数{P（t）}，然后直接求解运动方程。在显式积分计算过程中，当单元达到设定的极限状态时，采用前文介绍的“生死单元”方法，“杀死”相应单元，最终实现杆件失效，整塔倒塌的要求。

2 输电塔-线体倒塌模拟

500kV输电线路为辽宁省盖州市境内新建电渤输电线路的一部分[12]，工程起于营口华能电厂，止于盖州500kV渤海变电所，线路全长35.71km。其实物见图1所示。如图2所示，输电塔模型为SZ21型直线塔，结构呼高为30m，塔体总高53.9m，基础底宽与主塔顶宽度分别为8.36m和2.0m。输电塔设上、中、下三处横担，由下至上伸臂长度分别为：8.7m，10.45m和10m。输电模式为双回路四分裂式导线布置，输电线共分四层，最上层是两根地线，下面三层为六根四分裂导线，导线和地线分别采用4×LGJ-400/35型钢芯铝绞线和LGJ-95/55钢芯铝绞线，。导地线与输电塔结构通过“悬挂式”绝缘子连接，输电塔-线体系水平档距为400m。

为了真实地反映输电塔-线体系在风荷载作用下的倒塌行为，本文采用三塔四线有限元模型。具体倒塌过程如下：

当数值模拟到14.53s时，输电塔-线体系运转正常，全部杆件处于弹性变形阶段，未发生任何破坏。输电塔塔身中部一侧的部分主材、斜材和辅材杆件在14.54s时同时发生破坏。依据本文介绍的“生死单元法”准则，当杆件应力达到或超过屈服强度时，该杆件将被定义为死亡，杆件失去承载力。从图中不难发现：开始阶段失效单元基本出现在塔身上部的主材及其周围的斜材和辅材。由于部分杆件承载力的缺失，引起了结构受力情况的再分配和再平衡。随着失效单元的不断增加，结构逐渐丧失了承载能力，最终导致了整塔的倒塌。此外，输电塔-线体系在风荷载作用下导地线的振动和位移幅度明显，远大于设计要求，这对输电塔结构倒塌破坏产生了巨大的影响。特别是导地线对输电塔横担及塔头的拉拽效果非常显著，这种拉拽效应直接加速了塔头构件的破坏、以及输电塔向一侧倾倒的速度。这也是导致输电塔-线体系抗倒塌能力不强的重要原因。

通过算例分析可知：在分析与模拟输电线路的倒塌破坏时应该采用输电塔-线体系有限元模型，输电塔结构的优化设计结果验算是非常必要的，设计人员应在结构倒塌的分析过程中，设发现结构的薄弱环节，加固结构的采取必要的抗倒塌措施。

3 结论

本文应用ABAQUS/Explicit软件，采用“生死单元”的方法可以清晰地模拟出，输电塔-线体系在风荷载作用下倒塌的全过程。该方法对于分析和提高输电塔-线体系抗倒塌能力，有着非常重要的意义。

参考文献：

[1]李宏男，白海峰.高压输电塔线体系抗灾研究的现状与发展趋势[J].土木工程学报，2007，40（2）：39-46.

[2]唐国安.我国500kV线路倒塔事故率浅析[J].电力建设，1994，15（11）：18-24.

[3]白海峰.输电塔线体系环境荷载致振响应研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[4]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社，2006.

[5]Nadimi S.，KhoushehmehrI.Z.J.，etal.Investigation and analysis of weld induced residualstresses in two dissimilar pipes by finite element modeling[J].Journal of Applied Sciences，2008，8（6）：1014-1020.

[6]Zhuo-qunZhang，Hong-nan Li，GangLi，etal.The Numerical Analysis of Transmission Tower-Line System Wind-induced Collapsed[J].Mathematical Problems in Engineering，Volume 2013，Article ID 413275，11 pages.