吴庆华， 冯德奎

(中南电力设计院， 武汉 430071)

1 概述

改革开放以来，我国电网建设一直高速发展。1980年，建成我国第一条500kV平武线；1988年，建成我国第一条±500kV葛上直流输电线路；2009年初，建成我国第一条1000kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范线路。目前，超过十万公里的500kV输电线路成为我国输电主干网络，特高压输电线路建设亦方兴未艾，我国电网建设已达到一个新的水平。

输电铁塔是导、地线的坚强载体。多年来，高压输电工程中使用了多种塔型。从多数情况来看，单回路可分为无窗口塔型和有窗口塔型两种。无窗口塔型多用于110kV以下电压等级，如“上字型”铁塔；有窗口塔型多用于220kV以上电压等级，如“猫头型”、“酒杯型”铁塔。迄今为止，经过不断的研究和实践，猫头塔，酒杯塔已广泛运用于500kV及其他电压等级线路中，见图1，图2。这两种塔型的塔头有一个共同特点，在结构上属于铰拱模型，都有看似‘薄弱’的K型节点。在工程设计时，根据电气间隙圆的控制情况，有时将外曲臂设计成直线型，有时设计成折线型。两种型式均运行良好，没有发生因设计原因而引起的K节点破坏事故。第一个采用K节点的高压输电工程年代久远，已无从考证。不过，首次采用酒杯塔的输电工程——500kV平武线已安全运行近30年。第一个采用猫头塔的500kV超高压输电工程——葛双Ⅱ回已安全运行20多年。截止到2008年年底，全国500kV及以下输电线路共有约36万km，保守估计，共有约50万基猫头塔和酒杯塔在运行中。

图1 某500kV输电工程酒杯塔头

图2 某220kV输电工程猫头塔头

结构上属于铰拱模型的K节点输电塔在垂直负荷的作用下，K节点会发生一定量的结构性位移。理论上一定限度内的位移对结构不影响结构承载力，但视觉上对人们会产生心理上的影响。特高压工程同时采用了酒杯塔和猫头塔。由于塔头尺寸大，位移也大，特别是外曲臂设计成直线的猫头塔在K节点处发生视觉上的明显横向位移，引起了人们对其的重视。在发现特高压铁塔位移问题之后，具有相同结构型式的超高压输电线路铁塔的安全性也引起了人们的关注。

因此，有必要对K节点位移进行研究，讨论其产生的原因、调查已有线路运行状况、分析位移对铁塔承载力和安全的影响。由于500kV及以下电压等级输电塔塔头尺寸相对不大，K节点位移不明显，以前没有引起过多关注，研究的很少。本文尝试对500kV及以下电压等级输电塔K节点进行研究，得出一些有益结论供今后设计参考。

2 现场调查

笔者随机选择了两条已运行多年的500kV线路作为研究对象。一条是500kV葛双II回，1基猫头塔，已安全运行20年；另一条是500kV兴咸I回，2基酒杯塔，已安全运行3年。

这两条线路中的酒杯塔和猫头塔塔头都是K节点形式，外曲臂都是直线型。现场多视角地通过肉眼观察，并未发现K节点有任何异常。同时，利用全站仪对3基铁塔的K节点位移进行了精确测量，发现都存在位移现象，结果见表1。

表1 500kV铁塔K节点位移实测值 单位：mm

由表1中数据可以看出，随机抽取的500kV线路中的酒杯塔和猫头塔K节点都发生了横向位移。其中，猫头塔导线呈三角形排列，尺寸较小，位移也相对较小；酒杯塔导线三相并列，塔头比猫头塔大，外曲臂较长， K节点横向位移值相对较大。但是，与同塔型的特高压铁塔相比，位移相对较小，视觉上不明显。

通过现场调查发现，这些运行多年的铁塔状态良好。这说明，内、外曲臂在K节点处的有限位移并未降低铁塔的承载能力，也不会影响安全运行。

3 理论分析

本文选取某一运行多年的500kV输电线路中的酒杯塔zb421进行有限元分析(见图3)。采用有限元软件进行计算，利用ANSYS作为研究平台，对塔头进行整体稳定性分析，研究6种工况下K节点位移对其极限承载力的影响，见表2。

本文重点研究K节点及内、外曲臂，表2中的6种工况是内、外曲臂的控制工况。内、外曲臂采用beam188梁单元模拟，且采用角钢截面形式以考虑其扭转，其余杆件采用link8杆单元模拟。为考虑大位移产生的二阶效应，分析时采用大扰度弹塑性理论。取内、外曲臂的1/1000作为初始扰度以考虑初始缺陷对杆件极限承载力的影响。鉴于在以上6种工况荷载开始作用时，铁塔K节点在塔头及导地线自重作用下已发生相对位移，故需要考虑K节点在位移已发生的情况下结构的极限承载力。本文通过模拟重力场，考虑导地线重量和铁塔重量作用下，K节点在发生位移后，6种工况下的受力和位移情况。

图3 某500kV输电工程酒杯塔zb421三维有限元模型

表2 本文所研究的6种工况

本文首先进行屈曲分析，发现在表2中的6种工况作用下，全塔最先发生破坏的地方都不是K节点及曲臂。可见K节点并不是实际上最薄弱的地方。

然后在各种工况作用下，专门对塔头进行稳定分析，找出K节点及曲臂的破坏荷载，见表3。分析计算结果发现，最终破坏处大都在外曲臂角钢。

表3 曲臂破坏时的破坏荷载

既然K节点在荷载作用下必然会发生横向位移，那么将zb421塔的上下曲臂连接处改为桁架结构(见图4)，其受力与位移又将如何呢？

计算分析表明：①修改后的结构不再是双铰拱模型，结构的受力模式发生变化。②桁架结构并不能完全消除外曲臂的位移和K节点的横向位移，且曲臂受力并没有明显改善。③修改后曲臂正面的辅助材由原来的零杆全部变为受力材，导致塔重显著增加。经初步计算，单基塔理论重量增加1300kg以上，占单基塔重的6.27%以上，这还不包括节点板及螺栓重量的增加。一般情况下，直线塔在整条线路中的用量是最大的，显然对整个工程来讲是非常不经济的。4.500kV及以下电压等级线路中，K节点横向位移本来就不大。加强K节点是完全没有必要的。

图4 zb421塔的K节点改为桁架后示意图

4 铁塔真型试验分析

我国第一条500kV交流平武线于设计过程中，在良乡试验站进行铁塔真型试验。笔者也对当年的试验报告进行了分析。研究结果表明，当时已注意到K节点的位移问题。真型塔试验的是直线小转角塔ZJ10，塔头单线图见图5。铁塔一共进行了6种工况的试验，包括安装导线、地线张力差、导线张力差、正常覆冰，正常90度大风及90度大风超载。试验取得圆满成功。

图5 500kV平武线直线小转角ZJ10塔头图

根据理论分析，铁塔刚组装时K节点的位移是肯定存在的，但这个位移太小或认为无关紧要，总之当时并未记录。当铁塔试验加荷时，工作人员已发现并正常记录了K节点的位移大小。

根据当时记载的试验数据，前5种工况加载到100%设计荷载，然后卸载到零，发现K节点存在单侧17～21mm的横向位移(向外侧鼓曲)；90度大风超载到170%，然后卸载到零，发现K节点存在28mm的横向位移。这说明500kV铁塔的K节点存在位移，不过与1000kV铁塔相比，位移值要小得多。试验也验证了K节点位移并未降低铁塔的承载力。

图6 平武线ZJ10塔在90度大风下的位移曲线图

图7 平武线ZJ10塔在正常覆冰下的位移曲线图

ZJ10塔全高38m，其中14.5m～33m高度之间为上、下曲臂段，K节点在26.5m高度上。由图6可以看出，在90度大风作用下，加载100%和170%的曲线都比较平滑，不同高度的位移是逐渐有规律增加，未出现奇异拐点。在正常覆冰工况下，其位移亦如此，见图7。因此，曲臂及K节点在荷载作用下的受力及位移与整塔相比是协调的。从视觉上看起来很‘薄弱’的曲臂及K节点能有效传递荷载，满足强度、刚度及稳定要求，并未因K节点发生横向位移而降低铁塔承载力。

ZJ10塔通过试验验证，应用于该工程，安全运行至今。

5 结语

通过以上分析，可以得出如下结论：

⑴ 理论计算和真型试验均表明，酒杯塔、猫头塔K节点位移是正常的，对铁塔承载力没有影响。以往运行多年的线路，也未发现铁塔因K节点发生破坏的现象。对于500kV铁塔，K节点是一种安全和适合的设计方案。

⑵ 与1000kV线路铁塔相比，500kV及以下电压等级线路铁塔塔头尺寸小，K节点位移相对较小，视觉上不明显。

⑶ 对500kV及以下电压等级输电线路铁塔来说，加强K节点是完全没有必要的。酒杯塔、猫头塔都是铰拱模型，K节点是铰接点。如果加强K节点，不仅改变了铰拱模型和其受力模式，无益于曲臂受力，而且使得塔重明显增加。

⑷ 相关规范中对杆件位移的限值规定(1/750,1/1000)不适用于对K节点横向位移的要求。节点的弹性位移并不等同于杆件初弯引起的P-Δ效应，不会降低杆件和结构的极限承载力。

[1]DL/T5154-2002，架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].

[2]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[3]GBJ233-90，110-500kV架空电力线路施工及验收规范[S].

[4]500kV平武线送电线路工程ZJ10直线小转角塔试验报告[R].电力工业部中南电力设计院，1980.

[5]宋天霞.非线性结构有限元计算[M].武汉，华中理工大学出版社，1996.

[6]赵滇生.输电塔架结构的理论分析与受力性能研究[D].杭州，浙江大学，2003.

[7]陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析ANSYS使用指南[M].北京：中国铁道出版社，2001.