王身丽　严利雄　陈典丽　刘晓华　付裕　王志高　胡海　覃乔　石青松

摘 要：我国电网的快速发展和电压等级的不断提高，对输电杆塔的承载力和稳定性要求越来越高。通过对输电杆塔的受力研究，可以更好地分析了解杆塔的整体受力情况，避免不必要的事故发生。目前，通过ANSYS进行有限元分析，分析其静力特性，能够比较准确地得出各种情况下的塔体受力情况，为铁塔设计、风险预防提供了可靠依据。

关键词：输电杆塔；有限元分析；静力特性

中图分类号：TM753 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0071-02

Abstract： With the rapid development of the power grid and the continuous improvement of the voltage level in our country， the demand for the bearing capacity and stability of the transmission tower is getting higher and higher. Through the study of the force on the transmission tower， we can better analyze and understand the overall force of the tower， and avoid unnecessary accidents. At present， the finite element analysisof its static characteristics through ANSYS can be more accurate in a variety of circumstances of the tower force situation， thus proving a reliable basisfor the tower design and risk prevention.

Keywords： transmission tower； finite element analysis； static characteristics

1 概述

随着我国经济迅速的发展，人们对电能的使用情况也越来越大，对用电能质量也越来越高。但由于我国的地域跨度大，能源分布不均，所以在整个输电线建设方面要求极高。

输电杆塔是输电线路中的一个重要部分，它主要用来支撑线路或防止线路与其他导体接触产生接地故障，保证在输电环节中能够把电能安全、可靠的运输给各个用户。近年来，由于“西电东送、南北互动”发展战略实施，形成了我国输电线路跨度大的特点，有时线路经过地势险峻的山川、气候条件恶劣的时候，轻则会导致杆塔变得弯曲，严重的话会引起断线甚至倒塔。当杆塔受到一定的外力作用情况下，可能会发生相应的形变，但这种形变是难以观测的，所以就需要通过一些应力设备对其变形情况进行测量，以获取相应的数据来确定杆塔的受力情况。

2 输电杆塔受力分析及研究现状

八十年代中期，随着国内第一代输电铁塔应力计算软件研发成功，使我国在输电铁塔分析方面进入一个新的时代。此计算软件只需要输入相应的节点和杆的必要信息，就可以进行设计和计算，极大地提高工作效率。

现如今，国内外对输电杆塔受力分析所采用的主要方法是有限元分析法（效果如下图所示）分析其应力特性。

2010年中国电力科学研究院与西安建筑科技大学合作，采用有限元分析方法对锈蚀的钢结构输电杆塔进行分析。它通过现场对广西220kV输电塔进行试验，并收集塔的自然腐蚀数据，结合输电塔机构数据，利用电力建设研究院自主研发的道亨转换ANSYS命令流建立输电塔的有限元模型。根据《架空输电线路杆塔结构设计技术》相关规定，考虑在0°，45°、90°大风（风速30m/s），覆冰荷载（风速10m/s）以及断线荷载（风速10m/s）组合情况下，利用ANSYS软件分析功能，得出并整理破坏杆件情况，然后通过静力分析输电塔的某些部件，发现有些横担腐蚀的比较严重，它的可靠性不再符合国家规定的标准，严重影响了输电塔的正常使用，因此需要对某些必要的材料进行更换。

此外，他们还对锈蚀构件破坏原因进行分析，通过比较锈蚀前几何性质和锈蚀后的数据，发现当钢锈蚀2.2mm后，弹性弯扭屈曲荷载下降了百分之四十，得出截面损失造成构件弯扭屈曲荷载下降是使输电杆塔锈蚀后构件承载力降低的主要原因。

中国电力科学研究院针对2013年陕北地区的某330kV输电线路倒塔事故进行静力分析，线路设计风速为30m/s（15m基准高），分析时按90°、60°、45°三个风向角计算风荷载，全塔采用统一的风振系数，然后对不同编号的进行分析计算，结果发现按设计风速和实际档距计算铁塔的受力时，45°大风时，各种编号的铁塔未出现应力超限情况，若按实测最大风速和实际档距计算，各个编号的塔受力情况不相同，除了编号为35的塔外，其他剩余的塔都承受巨大的风载，然后进一步对塔线模型进行动力学分析，结果发现实际最大风速达到34.2m/s，超过设计风速21%时会造成铁塔发生倒塌事故。

北京电力建设设计研究院计算分析了我国第一基1000kV交流特高压输电线路实试塔ZM2，对此塔进行线性与几何非线性静力分析与动力特性分析。采用的模型是梁-杆混合有限元模型，控制工况为60°大风，通过有限元分析，并结合真型塔实验，验证了此塔的设计是合理的，并进行模拟结构荷载行为分析，得出试验塔结构性能良好，满足设计要求，最后分析发现ZM2铁塔的塔身瓶口是其薄弱点，应该加强这一部分的设计分析。

在青海省电网设计院，利用ANSYS有限元分析软件分析输电杆塔钢架模型和桁梁混合模型静态强度及其稳定性，并且利用ANSYS软件同时对模型在各種工况下的静态强度和特征值屈曲分析。分析表明，刚架模型最大综合位移、最大综合应力的变化情况与桁梁混合模型基本相同，而且都发生在大风（90°）工况下。

文献[1]研究在覆冰荷载作用下，输电杆塔的失效模式及其体系可靠度。它通过以覆冰厚度为控制量，获取输电杆塔的失效模式和覆冰厚度，然后通过数值计算不平衡张力，使得输电杆塔的极限覆冰厚度接近其设计覆冰厚度，通过随机有限元方法获取失效模式上各个单元的极限状态方程，然后逐步等效线性获得失效模式的极限状态方程。在文献[2]中，研究了顺风荷载和侧风风荷载共同作用下输电杆塔塔的主要失效模式及其基本风压，通过建立空间桁架有限元模型，模拟施加顺风和横风荷载，获得输电杆塔失效模式，并用数值算例比较横风荷载对输电杆塔的主要失效模式及其基本风压影响。文献[3]利用ANSYS对220kV双回路紧凑型转角塔建立梁桁混合模型，按真型试验方案进行加载并求解静力，然后仿真出的结果与实际中得到的铁塔构件位移值和应力结果对比，判断所见模型是否可靠。文献[4]利用ANSYS建立1000kV特高压输电杆塔有限元模型，对采矿区杆塔发生沉降、位移、倾斜后，分析其杆件内力变化，确定不同工况下的基础变形值。结果表明，在90°、60°大风、10mm覆冰工况下，60°大风情况下1000kV输电杆塔的基础沉降、位移、倾斜值最小。

3 研究目前存在的问题

我国的特高压输电线路的不断建设与完善，标志着我国输电技术发展又一次重大的飞跃，输电线路的安全运行直接关系到整个电网的安全，输电杆塔是高压和特高压线路的重要支撑物，一旦其结构遭到破坏，将会引起灾难性事故。因此，对输电杆塔受力分析及其重要。

通过本文对输电杆塔受力分析研究现状分析，可归纳为以下四点：

（1）风荷载，冰荷载和其它突发性荷载是危机输电线路安全的主要因素，应引起设计人员的广泛关注。然而，由于近年来极端天气的频繁发生，输电杆塔上各部件会遭到不同程度的破坏，危及到整个杆塔的安全。如何在不过度增加塔架重量的基础上，在常规负荷设计的基础上改善某些极端条件下的施工条件，将是未来输电杆塔设计的必然趋势。

（2）现研究阶段，杆塔分析多采用空间桁架系统模型和静态计算方法，并且可靠性理论已反映在设计规范中。但是，实际中杆塔始终处于受力状态。对此，如何更加有效、合理地考虑杆塔部件的动力特性和动力效应对杆塔的正常服役是输电线路研究的重要方向。

（3）目前线性和非线性动态有限元分析方法也是比较常见的分析方法，成为验证输电线路整体安全性的有效方法。

（4）虽然在服役之前，通过电和非电测试验证被认为是反映输电塔和线路系统机械特性的更准确经济的方法，但真实的测试价格太昂贵，需要开发简化的模型相似理论。测试验证方法不能广泛应用。

4 结束语

目前，国内外分析输电塔受力情况大多采用的ANSYS有限元分析，实际中通过理论研究，发现与ANSYS分析情况结果一致，说明运用有限元计算能够比较准确地反映出塔体的受力特征和受力情况，从而为塔的检修、维护提供了比较可靠的依据。

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