韩大刚，刘洪昌，冯勇，李美峰，肖兵，肖洪伟，杨洋

(西南电力设计院，成都市 610021)

0 引言

重冰区输电线路由于导、地线覆冰、脱冰的多变性和不均匀性，使得导、地线易发生舞动或跳跃，进而可能导致闪络跳闸事故。因此，国内外重冰区线路一般采用单回导线水平排列的布置方式，当出现导、地线不均匀脱冰随机跳跃时，各相具有足够的安全间距。

随着电网的发展，输电走廊资源日益匮乏，为了充分利用有限的输电通道，在我国西南等易覆冰区采用同塔双回的输电方式也迫在眉睫。

由于重冰区同塔双回导、地线覆冰和脱冰的复杂性，国内外关于此方面的研究十分匮乏，世界上尚无500kV交流超高压线路应用同塔双回输电的先例。

鉴于重冰区同塔双回输电设计具有重要的工程应用价值，西南电力设计院在已有的单回路重冰区输电线路设计经验基础上，开展了一系列的同塔双回路重冰区的设计研究工作，其核心内容是重覆冰输电线路脱冰动力响应研究、杆塔型式和设计研究。本文以国内某20 mm重冰区输电工程首次采用的同塔双回耐张塔SJB4261为例，分析重冰区同塔双回的杆塔设计及试验情况。

1 SJB4261铁塔设计概况

SJB4261铁塔是该输电线路工程20 mm重冰区中较典型且使用量较大的一种耐张塔，作为世界上首次在500kV重冰区输电线路应用的塔型，其安全可靠性、设计合理性对后续重冰区同塔双回路的设计具有里程碑意义。因此，在工程应用前，对该塔型做了较为全面的设计分析和重要工况的试验验证。

1.1 铁塔基本参数

SJB4261试验塔依据《重覆冰架空输电线路设计技术规程》［1］、《110 kV ～750 kV 架空输电线路设计规范》［2］和中国电力工程顾问集团公司科技项目的相关成果［3］进行设计。

铁塔的设计风速为30 m/s(距地10 m高)，设计覆冰20 mm，导线采用4×LGJ－630/45，地线采用OPGW－140B，水平档距250/350 m，垂直档距500/700(－300/0)m，转角度数为0°～15°。铁塔外形如图1所示。

图1 SJB4261铁塔一览图Fig.1 General map of SJB4261 tower

1.2 铁塔设计要点

1.2.1 塔头尺寸

由于SJB4261铁塔是国内首次应用于500kV重冰区同塔双回路线路，与常规的单回路重冰区铁塔相比，其塔头尺寸的确定是铁塔设计首要解决的问题。

通过采用数值模拟分析手段［4］得出了重冰区导地线脱冰跳跃和覆冰舞动的规律，塔头的电气性能尺寸如表1所示。

表1 SJB4261耐张塔塔头尺寸Tab.1 Head size of SJB4261 strain tower

1.2.2 杆塔布置型式

对于重冰区双回路直线塔，根据电气性能的要求，可采用水平排列、三角形排列和垂直排列3种方式，如图2所示，其线间相对位移不应低于表2中的数值。

图2 重冰区同塔双回塔型导线布置型式Fig.2 Conductor arrangement of double-circuit transmission line in heavy icing area

表2 重冰区双回路直线塔塔头电气尺寸Tab.2 Electrical size of strain tower's head of double-circuit transmission line in heavy icing area

由图2中3种布置型式可以看出，垂直排列方式占用走廊宽度最小，且由于重冰区线路多在高陡山区，垂直排列方式横担长度最短，适宜山区走线，而其他排列方式横担较长则可能导致边线或风偏对地距离不足而对地开方或加高铁塔。由表3可见对于山区常见20°坡度，为满足边线对地距离要求，与平地相比3种排列方式塔高分别增加9，6，3 m，采用垂直排列方式塔重指标最优。

表3 导线排列方式对比分析表Tab.3 Comparison of conductors'arrangement

此外，横担较短的铁塔在重冰区承受不均匀覆冰产生的扭力时，抗变形能力较好，因此，重冰区同塔双回线路首选导线垂直排列的布置型式。

1.2.3 单双回路经济性对比

由表4可以看出，500kV线路20 mm重冰区采用同塔双回输电较2个单回本体投资增加41%，虽然理论上采用双回不如2个单回经济，但采用双回一方面可以节约线路走廊，减少房屋拆迁、走廊清理、林木砍伐等，避免了因环境破坏带来的社会问题;另一方面，在实际工程应用中，对于走廊资源十分拥挤的区段，2个单回与1个单回的投资并不是简单的2倍关系，由于较多的房屋拆迁和征地费用，2个单回的总投资反而比1个双回要高。此外有些重冰区段的走廊资源仅能容纳1条输电线路，因此经过该类地区的大容量输电线路必须采用同塔双回输电方式。

表4 单双回路经济性对比表Tab.4 Economic contrast between single circuit and double circuit

1.2.4 构件断面型式及材质

目前常用铁塔构件断面型式为角钢和钢管，虽然钢管具有截面特性好、承载能力高、塔重较小的优势，但考虑重冰区线路多处于人烟罕至的高山大岭，钢管塔材的运输及组装十分困难。因此，对于重冰区双回路铁塔主材可采用应用十分成熟的Q420高强度大规格角钢、受力较小的斜材采用Q345、Q235常规角钢。

SJB4261试验塔呼高33 m，全高78.5 m，全塔质量192.4 t，腿部主材规格为Q420大规格角钢2L220×26B，构件连接螺栓M16、M20采用6.8级，M24采用8.8级。

2 SJB4261铁塔试验概况

2.1 试验工况

SJB4261采用基于杆单元模型的道亨满应力设计软件进行构件内力计算和选材，根据主要杆件内力的控制工况，选取了9种工况进行试验，包含了重冰区铁塔设计的断线、不均匀冰、锚线、大风和覆冰等典型工况，试验顺序和工况名称如表5所示。

表5 试验工况及控制构件表Tab.5 Test conditions and control members

2.2 试验加荷原则及测点布置

试验工况1～8的横向、纵向、垂直荷载按0—50%—75%—90%—95%—100%—0顺序加荷。

工况9为试验塔的超载工况，其荷载按0—50%—75%—90%—95%—100%—105%—110%—115%—120%—0的顺序加荷。

SJB4261试验塔共布置了12个位移测点，分别在地线支架、横担的端部和主材节点上，如图3中a～m所示;应变测点共31个，共计应变片136片，分布在受力复杂的斜材和关键部位的主材上，如图3中1～31所示。

试验顺利完成了1～9个工况的荷载测试，结合试验中采集的大量位移和应变数据，下文基于有限元方法和试验进行对比分析。

3 SJB4261铁塔试验分析

由于重冰区同塔双回铁塔的主材及与主材相连的斜材均受力较大，塔身主、斜材连接的螺栓数量通常达到4颗以上。文献研究表明［5］当主斜材连接超过2颗螺栓时，节点面内弯矩与节点全刚接时极限弯矩的比值在70%以上，而采用常规杆单元分析模型无法模拟杆件由于节点螺栓群的约束产生的弯矩。

1000kV钢管塔试验［6-8］表明，在构件截面刚度较大时，次弯矩对铁塔受力的影响不容忽视。由于重冰区同塔双回铁塔负荷较大，主材杆件的截面积较常规500kV输电线路的转角塔大1倍以上，为了充分考查不同单元模型与铁塔受力的影响，文中分别建立了杆单元、梁单元、梁－杆混合单元(主材为梁单元，斜材为杆单元)的有限元模型，以便充分探索主、斜材连接螺栓较多时和主材构件截面刚度较大时次弯矩对铁塔受力的影响，图4为该试验塔ANSYS有限元分析模型。

图3 位移及应变测点布置图Fig.3 Arrangement of displacement and strain measuring points

分析计算时，杆单元采用LINK8单元、梁单元采用BEAM188单元，钢材的弹性模型取2.06×105N/mm2，泊松比取0.3。考虑重冰区铁塔受力后存在较大的结构变形，有限元分析也进行了非线性计算，非线性分析时，构件采用理想弹塑双折线本构模型，并打开NLGEOM选项，计入大变形的几何非线性影响。

3.1 变形分析

绘制测点在各工况荷载作用下的位移实测值如图5所示。可以看出各测点x、z最大位移出现在工况9，工况8控制各测点的y向位移。

b、i、j、k、m 共5 处典型测点分布于不同高度的主材上，其x方向位移能够体现铁塔的整体变形;a～h共8处典型测点对称分布于地线支架和横担两端，其变形能够很好体现铁塔在不均匀冰扭矩作用下的y向变形;b、d、f、h共4处测点分布于内角侧地线支架和横担的一端，其z方向位移体现了铁塔的最大z向位移值。因此，变形计算分析中重点关注了上述测点。

考虑不同计算模型可能导致位移计算结果的差异，表6、7给出了以工况9在100%荷载作用下，典型测点处 x、z方向位移值，表8给出了以工况8在100%荷载作用下典型测点在y方向的位移值。计算模型包括线性杆单元、线性梁单元、线性梁－杆单元和非线性杆单元、非线性梁单元、非线性梁－杆单元共6种情况。

由表6～8可以看出，上述6种计算模型在典型测点处的位移计算值之间差异不足4%，说明计算模型中单元类型的选择和是否考虑非线性对变形计算影响不大。图6以线性梁－杆单元的位移计算为例，给出了其与实测值的对比图。可以看出典型测点处的 x、y、z方向位移实测值均大于计算值，其中 x、y、z方向实测值的最大值比计算值的最大值分别大31%、191%、6%。国内外较多研究成果［9-16］表明铁塔位移实测值比计算值大的主要原因为螺栓连接滑移的影响，由于螺栓滑移机理较为复杂［17-19］，多数研究仅局限于单颗或少量螺栓和单根或少量构件结构的螺栓滑移规律及对结构变形的影响，对螺栓群的滑移分析及对大规模构件的铁塔的变形影响尚无参考文献。本次位移计算表明，螺栓滑移对铁塔结构x、y、z变形的影响程度并不相同，其中y方向的影响最为显著，其次为x方向，z方向的变形影响最小。

图6 位移实测值与计算值对比图Fig.6 Comparison of displacement between actual testing value and calculated value

由于y向位移最大值出现在不均匀覆冰受扭工况，该工况控制较多的铁塔斜材，由于斜材刚度较小，螺栓滑移效应的影响更明显;而x、z向位移最大值出现在覆冰工况，该工况主要控制铁塔主材，由于主材刚度较大，螺栓滑移效应的影响相对较小。

图7给出了铁塔位移云图。试验表明，铁塔x向最大位移值为527 mm，铁塔全高约78.5 m，位移值为铁塔高度的6.7‰，满足正常使用要求。y向最大位移值为1381 mm，出现在地线支架端部，地线支架长度21.8 m，位移值为其长度的6.2%，与常规轻冰区耐张塔基本相当，满足要求。z向最大位移值为319 mm，变形较小，满足要求。

3.2 应力分析

由于铁塔构件较多，工况计算较为复杂，本文以工况9为例重点考察覆冰工况对铁塔主材的影响，应变测点7、14、15、16、17、18 分布于 D 腿侧主材上，这些测点的应变值能够较好地反映铁塔主材受力情况，因此应力分析以此6处测点作为典型测点。

图7 铁塔各向位移云图(比例因子为10)Fig.7 Displacement nephogram of tower in each direction(scale factor of 10)

与变形分析的思路一致，为了考虑不同计算模型可能导致应力计算结果的差异，表9给出了以工况9在100%荷载作用下为例，各典型测点处的应力计算值，其中σN为轴向应力、σMy为梁单元的y向弯曲应力、σMz为梁单元的z向弯曲应力。由表9可以看出，非线性对主材应力影响甚小，不同单元类型对轴向应力的计算结果也影响不大。但铁塔所有杆件若均简化为杆单元，则计算结果忽略了因主材刚度较大而产生的次弯矩，不难看出，在变坡点附近的16、17号测点弯矩产生的应力较大，可达轴向应力的27%。

表10给出了线性梁－杆单元的计算值与实测值的对比，从实测值可以看出，主材角钢同一截面不同部位的应力值并不相同，存在极大值和极小值。其原因是主材并非完全承受轴力，还承受了y向和z向的弯矩，由于轴向应力与弯曲应力相互叠加，导致了同一截面不同角钢肢上的应力值并不相同。

由主材应力分析图8可以看出，理论计算的轴向应力值σN介于实测最大值与最小值之间，轴向应力与弯曲应力叠加的最大计算值和最小计算值分别为σN+(σMy+σMz)/2、σN－(σMy+σMz)/2，该两项值的曲线与实测最大值和最小值吻合较好，说明主材次弯矩是导致截面应力分布不均的主要因素。

图9给出了铁塔变坡以下主材的y向和z向弯矩分布，可以看出主材y向弯矩由上至下是增大的趋势，z向弯矩由上至下是减小的趋势，该规律与图8中弯曲应力的分布基本一致。此外，在身部K材与主材连接的部位和塔腿倒数第2节间附近弯矩影响最为显著，其次为变坡处的z向弯矩也较大。因此，在设计时该部位的主材应适当加强应力储备以考虑弯矩的影响。

4 结论

(1)重冰区多处于山区，采用导线垂直排列的双回路塔型具有较好的地形适应性和经济性。

(2)500kV线路20 mm重冰区采用同塔双回输电较2个单回本体投资增加41%，虽然理论上采用双回不如2个单回经济，但在实际工程应用中，对于走廊资源十分拥挤或仅能容纳1条输电线路的区段，由于较多的房屋拆迁和征地费用，2个单回的总投资可能较1个双回要高。因此，对于走廊资源十分紧张的重覆冰地区，推荐采用同塔双回的输电方式。

(3)较多研究表明，螺栓滑移效应是铁塔变形增大的主要因素。有限元分析显示其对x、y、z向的变形影响程度并不一致，对y向变形影响最大，其次为x向和z向。由于y向位移的最大值与斜材刚度有关，x、z向位移最大值与主材刚度有关，说明螺栓滑移效应对刚度较小的构件影响更大。

(4)大量计算表明采用不同的计算模型得出的铁塔变形值差异不大，但计算值一般小于实测值。因此，以计算变形值推测铁塔实际的变形并不合理，特别是外荷载较大的重冰区铁塔，实际变形值可能达到计算值的3倍。从试验情况来看，重冰区采用导线垂直排列塔型，横担长度最短，较好地控制了y向位移，实测值能够满足正常使用要求。

(5)由于500kV重冰区同塔双回耐张塔受力较大，主、斜材连接螺栓数较多和主材构件截面刚度较大，采用常规杆单元的计算会忽略主材的弯曲应力，采用梁－杆单元模型能够较好地反映主材受力情况。

分析表明，在身部K材与主材连接的部位和塔腿主材倒数第2节间附近弯矩影响最为显著，其次为变坡处的z向弯矩也较大。因此，在设计时该部位的主材应适当加强应力储备以考虑弯矩的影响。

(6)真型塔试验成功表明，20 mm重冰区应用导线垂直排列的双回路铁塔是可行的，能够满足线路的安全、可靠运行。试验铁塔y向变形的实测值与计算值差异较大，说明精确模拟螺栓群的滑移效应及其对输电铁塔该类大规模构件体系的变形影响还有待进一步研究。

［1］DL/T 5440—2009重覆冰架空输电线路设计技术规程［S］.

［2］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空输电线路设计规范［S］.

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