220kV干字型转角塔静力极限覆冰厚度研究

2011-06-13刘春城李霞辉刘法栋毛绪坤

东北电力大学学报 2011年1期

刘春城，李霞辉，刘法栋，毛绪坤

(东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

在架空输电线路工程中，杆塔建设费用约占本体投资的30%以上，直接决定着线路的经济性［1］。而近年来覆冰倒塔事故的频繁发生，给人民生活带来很多不便，经济上造成重大损失［2］。

本文采用有限元结构分析软件ansys，以某电力设计院设计的220 kV干字型转角塔为例，建立计算模型，进行特征屈曲分析和考虑结构初始缺陷的非线性屈曲分析。计算时考虑覆冰有风工况，风速为10 m/s，冰厚取10 mm、15 mm、20 mm，风向为90°，得出结构在各种情况下的应力和位移值，分析其各杆件在不同荷载下力学性能的变化。

1 有限元模型的建立

输电塔采用桁梁混合模型建模，弦杆和主腹杆选用ANSYS中Beam188单元模拟，次腹杆则由杆单元Link8来模拟，梁单元围成铁塔的整个框架。铁塔主材为Q345B角钢，斜材和辅助材为Q235B角钢材料;导线型号为LGJ-300/40，地线选用JLB40-150;水平档距450 m，垂直档距550 m;转角度数为20°。模型见图1。

图1 转角塔模型三维视图

2 荷载施加

当具备了形成覆冰的温度和湿度条件后，风速的大小和风向对导线覆冰大小起重要作用［3］。所以本文考虑覆冰有风工况的作用。

将覆冰厚度折算为塔材的材料密度加载于铁塔上［4］。

导地线垂直荷载:

式中:δ为覆冰厚度;d为导、地线直径;Lv为线路的垂直档距。

导地线风载:

式中:v为风速;κ为风压不均匀系数;usc为导、地线体形系数;LP为线路水平档距;α为风向与导、地线之间的夹角。

杆塔风荷载:

式中:uz为风压高度变化系数;us为体形系数;βz为风振系数;Af为构件承受风压投影面积计算值，取B类地貌;W0为基本风压。

转角塔考虑电线不平衡张力和角度荷载作用:

图2 转角塔导线张力示意图

电线张力:

角度荷载:

不平衡张力:

式中:σ为电线悬挂点处应力;A为导、地线横截面积;T1、T2为顺线路方向电线张力;α1、α2为杆塔两侧线路方向与杆塔横担垂向的夹角［5］。

3 结构极限覆冰厚度及其可能对应的极限状态准则

对于输电铁塔这种由n个单元组成的结构，一个单元的失效并不能导致整个结构的破坏。取整体结构失效时对应的覆冰厚度为极限覆冰厚度［6］。按照《高耸结构设计规范》［7］要求:自立塔按非线性分析时，以风载为主的塔顶位移不应超过其高度的2%，以地震荷载为主的位移不应超过其高度的1%。考虑覆冰有风工况作用，所以本文将塔顶位移为塔高的2%作为位移收敛条件。极限覆冰厚度可能对应的极限状态准则为:

(1)如果覆冰厚度达到极限值时，ANSYS运算收敛，顶点位移达到刚度要求，极限状态准则为位移准则;

(2)如果覆冰厚度递增某一值时，顶点位移小于塔高的2%，ANSYS运算不收敛，极限状态准则为稳定性准则;

(3)如果覆冰厚度达到某值时，顶点位移未达到刚度要求，ANSYS运算收敛，但个别杆件的应力大于屈曲应力，极限状态准则为屈曲强度准则。

4 结构的非线性屈曲分析

4.1 特征值屈曲分析

特征值屈曲分析能够预测结构的理论屈曲强度，优点是仅考虑线性行为，即可获得结构的临界荷载和屈曲模态，并可为非线性屈曲分析提供可供参考的荷载值。

特征值方程为:

式中，λi为第i阶特征值;{∅i}为特征向量，是相应该阶屈曲荷载时的结构变形形状;［KE］为结构的小位移(即弹性)刚度矩阵;［KG］为参考初应力矩阵［8］。

4.2 非线性屈曲分析

对于输电塔结构，在分析时应考虑其大变形作用，考虑其初始缺陷，对结构进行非线性屈曲分析。跟踪非线性平衡路线的应用较多、效果较好的方法是柱面等弧长法。迭代过程中，这里选取荷载收敛准则［9］为收敛与否的判据:

式中:{g}为节点不平衡力向量;{q}为参考荷载向量;β为参数，可取10-5。如果迭代次数已经超过某一预定的最大值或位移向量越来越大，则视为发散。

本模型采用增量加载方式进行特征值屈曲分析，得到各阶屈曲模态图见图3。

图3 转角塔特征值屈曲变形图

第一阶屈曲变形发生第一段塔身处，说明此处构件最易发生局部失稳变形;从多阶屈曲模态可以看到，塔身梁单元易发生变形，斜材支撑的变形作用较大;由此可以得出杆件失稳是铁塔破坏的重要原因之一。

增量加载覆冰厚度，对输电塔模型进行非线性屈曲分析。当刚度矩阵奇异，结构出现瞬间大位移变化时取该厚度为极限覆冰厚度。可以得到铁塔在不同覆冰厚度作用下所对应塔顶横向位移值，见图4。

由图4可以得到该塔极限覆冰厚度为18 mm。

图5为转角塔在覆冰有风工况下的变形图，塔身的扭转变形比较明显。

由非线性屈曲分析得到不同覆冰厚度时各杆件的应力，当10 mm覆冰时，各杆件均未达到屈服;迎风面塔腿主材由于导线张力作用，弯矩相对较大;塔顶横向位移最大，为212 mm，不超过塔高的1%。当15 mm覆冰作用时，塔腿处杆件应力超过其屈服强度，受扭变形较明显，说明塔腿处受到导地线张力影响比较大;塔身主材部分杆件达到屈服，随着覆冰厚度增加，塔身的危险杆件逐渐增多;20 mm覆冰工况下，ANSYS运算不收敛，按分布加载方式施加导地线张力，在18 mm覆冰加载时出现刚度矩阵奇异，塔腿和塔身受压主材杆件大部分已达到屈服强度，且位移突然增大，说明此时结构失稳破坏，塔顶位移为492 mm，已远远超过了塔高度的1%。