陈旸羚李维吴桐

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京210019；2.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京210019)

0 引言

随着国家大力提倡移动网络发展，加快了移动通信基础设施的建设，特别是5G 时代的到来，通信基站的需求量将成倍增加[1]。同时，电力无线专网也得到了加速发展[2]，2018年国家电网公司工作会议提出“扩大电力无线专网试点及业务应用”的工作要求，无线专网建设发展成为国网战略。江苏公司作为首批试点单位，2018年已新增基站270 座，接入终端约有4万个，总投资约为23 250万元。

为了响应国家“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念[3]，结合国家电网公司的杆塔资源，利用现有输电杆塔加挂通信天线，不仅可以快速实现运营商移动网络建设，降低建站成本，而且能同时满足无线专网的建设要求[4]。英国运营商EE、Vodafone 和Orange均已在电力塔上挂载设备，日本移动运营商乐天移动通信宣布与电力公司深度合作，提高资本投资效率。云南铁塔和南方电网云南分公司合作完成了国内首座110 kV高压电力铁塔加挂通信基站。2018年，电力国网多个省公司与当地省铁塔公司签署战略合作协议，合作推广输电线路铁塔附挂通信基站应用工作。

输电杆塔的结构安全是决定能否加挂通信天线的先决条件，通过有限元分析软件对现有输电杆塔进行加载分析，是判断杆塔安全性的有效手段。龚靖等[5]利用有限元软件ANSYS对220 kV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，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，判断所建模型是否可靠。杨风利等[6]利用软件ANSYS建立1 000 kV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。韩枫[7]对特高压输电杆塔体系建模，分析其抗风可靠度。王飞等[8]利用道亨有限元软件对酒杯型铁塔进行地震反应谱分析，发现特高压酒杯型铁塔建立在8度以上地区时，需要进行抗震验算，对于不满足抗震要求的杆件，需要进行相应的加强。王身丽等[9]通过软件ANSYS针对输电线路杆塔的静力特性进行了有限元分析，比较准确地得出了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。张宏杰等[10]通过对台风行进过程中风场变化，分析了杆塔受力随台风迁徙的变化规律，并且给出了杆塔抗台风设计应当预留的安全裕度。

因此，评价输电杆塔加挂通信天线后的结构安全裕度有着至关重要的意义。但若对每一基杆塔单独建模验算加挂可行性，则耗时费力。文章利用输电杆塔结构安全裕度的概念，有限元建模了单条输电线路中具有特征性的输电杆塔，分析其加挂通信天线前后的杆塔结构受力特性及安全裕度变化。采用有限元建模对比分析结果数据，绘制安全评定曲线，可为通信天线快速上量提供理论基础，大幅减少复核工作量。

1 输电钢管杆加挂通信天线荷载计算

1.1 输电杆塔塔型选择

目前，输电杆塔作为国网公司的电力基础设施，形式多种多样，按主材类型可分为角钢塔、钢管塔、钢管杆和水泥杆；按电压等级可分为10、35、66、110、220、500、750 kV等；按电流类型分为交流传输和直流传输；按杆塔线路位置分为直线塔、转角塔、终端塔。

(1)考虑通信覆盖区域主要集中在城区，而城区的输电杆塔主要以钢管杆及水泥杆为主。(2)为了保证天线基本挂高，考虑电磁干扰、电力安全距离等影响，优先使用高电压等级、高呼高的钢管杆。因此，优先考虑市区内110、220 kV的钢管杆资源[11]。

文章选取江苏省网2E2模块钢管杆。2E2模块为海拔＜1 000 m、设计基本风速为28 m/s、导线为2×LGJ-400/35的双回路钢管杆。2E2模块的直线杆为3杆系列、耐张杆为4杆系列、终端兼分支杆1种，共计8种杆型。文章选取常见的直线杆1种、耐张杆4 种、终端杆1种进行分析。

2E2模块的气象条件见表1。2E2 模块的导地线型号及参数见表2。

模块中包含不同呼高、不同水平档距、不同垂直档距的各类塔型，选取最大档距和呼高的6种铁塔进行分析，如图1所示。

表1 2E2 模块的气象条件表

表2 2E2模块的导、地线型号及参数表

图1 2E2 模块6 种塔型图/mm

1.2 输电杆塔荷载计算

钢管杆承受的荷载一般分解为横向荷载、纵向荷载和垂直荷载3种。直线输电杆塔，耐张、转角型杆塔应计算正常运行、断线和安装情况下的荷载组合，必要时应验算重冰区不均匀覆冰等特殊情况。其中，主要荷载为横向荷载和纵向荷载。风荷载又是构成横向荷载和纵向荷载的重要组成部分。

1.2.1 线路荷载

计算时参考DLT 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》[12]和DLT 5130—2001《架空送电线路钢管杆设计技术规定》[13]等相关规定。

导线及地线风荷载标准值的计算公式由式(1)和(2)表示为

式中：Wx为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值，kN；α为风压不均匀系数，根据设计基准风速，查表取值；μz为风压高度变化系数；μSC为导线或地线的体型系数；d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，m；LP为杆的水平档距，m；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，°；W0为基准风压标准值，kN/m2；V为基准高度的风速，m/s。

1.2.2 杆身风荷载

杆身风荷载的标准值计算由式(3)表示为

式中：Ws为作用在杆身单位长度上的风荷载标准值，kN/m；μs为风荷载体型系数；βz为杆身风荷载调整系数；D为杆身直径的平均值，m。

1.2.3 绝缘子串风荷载

绝缘子串风荷载的标准值计算由式(4)表示为

式中：W1为绝缘子串风荷载标准值，kN；A1为绝缘子串承受风压面积计算值，m2。

1.2.4 通信天线荷载

对于加挂的通信天线，连接方式是由抱杆及双抱箍固定于塔身上，双抱箍与塔身接触点间间距较小，一般为0.5～1 m，因此作用在塔身上的通信天线荷载可简化为集中荷载。移动通信工程中风荷载重现期为50 年[14]，而＜500 kV输电杆塔风荷载重现期为30 年。为了保持计算角度一致性，将通信风荷载重现期转化为30年重现期风荷载。由于两者设计使用年限存在差距，若输电杆塔已达到设计使用年限，可进行全塔检测，安全评估后可延长其使用年限。

通信天线风荷载的标准值计算由式(5)表示为

式中：Wk为天线及抱杆支臂风荷载标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数；W30为30 年重现周期基本风压，kN/m2。

GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[15]中第n年重现期的基本风压Wn由式(6)表示为式中：W10及W100分别为10、100 年重现周期基本风压，kN/m2；R为重现周期，年。

将R＝30代入式(6)，可得到30年重现期的基本风压值W30。

1.3 2E2模块杆塔荷载计算

利用道亨满应力设计软件，以2E2-SZG1-42杆为例，输入杆塔水平档距、垂直档距、气象资料等信息，软件自动生成杆身荷载，输入不同工况下的节点荷载，见表3。

表3 直线塔2E2-SZG1-42荷载表/N

根据表3可知，导地线的安装正吊相工况为最大垂直荷载，导地线的风荷载大风90°工况为最大水平风荷载。其他5种杆塔的荷载情况与本直线塔一致，安装正吊相工况为最大垂直荷载。

2 2E2模块钢管杆有限元分析

2.1 杆塔有限元软件建模

利用道亨满应力设计软件，对江苏省省网钢管杆2E2 模块进行三维有限元建模，采用“积木式”塔型快速输入模块建模[16]。

2.2 杆塔应力计算分析

DL 5009.2—2013《电力建设安全工作规程 第2部分：电力线路》[17]规定作业人员或机械器具与带电线路风险控制距离要≥8 m，故将呼高下8 m作为天线加挂点。

将加载类型按照通信天线数量和挂载高度分为6类，见表4。

表4 天线挂载类型表

分别对6种塔型进行有限元建模计算，得到其杆件应力数据。通信天线加挂工况依次采用表4中加挂顺序得到各天线加载工况下杆塔的杆段应力包络曲线。

以直线塔SZG1-42为例，在最大控制工况下各杆段包络应力表现如图2 所示。杆段编号1 ～5分别对应塔身主杆第1到第5段。在A加载工况下，最大应力值出现在杆段4，其值为262.19 MPa。随着加载荷载工况不断增大，最大应力杆段不断下移。在F加载工况下，最大应力杆件已经变为第2段，最大应力值为293.429 MPa，已接近材料设计强度295 MPa。相比于A 工况，其值增加了31.2 MPa，占比11.9%，变化较为明显。由于通信荷载加载点位均在4、5杆件以下，对2 杆件不产生附加弯矩和轴力，因此，4、5杆件在所有工况下的应力数值基本一致。编号6 ～13杆段为塔身横担，在最大控制工况(断线)下普遍较小，均≤200 MPa。

以耐张转角塔SJG1-36为例，在最大控制工况下各杆件应力表现如图3所示。在A加载工况下，最大应力值出现在杆段3，其值为234.74 MPa。随着加载荷载工况不断增大，杆段1的应力逐渐增大至与杆段3一致，在F 加载工况下，最大应力杆件已经变为第1、3段，应力值分别为244.882、244.902 MPa，2 杆件应力值为240.557 MPa。4、5杆件在新增通信荷载之上，不产生附加弯矩和轴力，在所有工况下的应力值基本一致。编号6 ～13杆段为塔身横担，在最大控制工况(断线)下普遍较小，均≤125 MPa。转角塔SJG2-36、SJG3-36、SJG4-36 的杆件应力分布特性基本与SJG1-36一致，F 加载工况下各杆件的应力数据见表5。

图2 直线塔SZG1-42最大应力计算结果图

图3 转角塔SJG1-36最大应力计算结果图

表5 F加载工况下各杆件最大包络应力表/MPa

以耐张终端塔SDJG-36 为例，在最大控制工况下各杆件应力表现如图4 所示。

在A加载工况下，最大应力值出现在杆段3，其值为189.567 MPa。各工况加载条件下，杆件应力增加不明显。在F加载工况下，3杆件位置出现应力极大值，达到194.682 MPa。相对于A工况，杆段最大应力值只增加了5 MPa，占比3%。4、5杆件同样表现基本一致。编号6～13杆段为塔身横担，在最大控制工况(单侧架线)下普遍较小，均≤130 MPa。

综合6种铁塔分析结果，得到其最大杆件包络综合应力比数据，对比发现直线塔加挂天线后杆段最大综合应力提升较为明显，耐张塔其次，终端塔几乎无变化。这是由于耐张塔及终端塔本身线路荷载较大，后期新增天线荷载占原有荷载比例很小，对杆件应力贡献值小，具体结果如图5所示。

图4 终端塔SDJG-36最大应力计算结果图

图5 6种钢管杆最大应力比计算结果图

2.3 杆塔挠度计算分析

杆塔最大位移随着新增荷载的增加而变大，变化情况如图6所示。随着加载工况不断变化，新增荷载不断增大，直线塔最大挠度比变化明显，由A工况的2.756‰增加到F工况的3.816‰，增大了38.5%；耐张型转角杆塔分别增大了0.318‰、0.318‰、0.318‰、0.212‰；端部耐张塔仅增大0.106‰，变化率不足1%。直线塔总体挠度较小，其限值亦较低；耐张型转角塔或终端塔挠度大，但其挠度限值是直线塔限值的4倍。所有杆塔在所有工况条件下，其最大挠度比均满足规范要求。

图6 6 种钢管杆最大挠度计算结果图

3 输电钢管杆结构安全裕度评价

3.1 结构安全裕度

我国电力杆塔设计均采用弹性设计，在设计过程中会对结构强度保留一定的安全余量，以抵抗突发的荷载效应，如爆炸、台风、大面积冰雨等。为确保结构有一定的安全余量，在结构设计时，人为地增加安全裕度的概念[18]，即构件应力比的余量或结构位移比限值的余量，其计算由式(7)表示为

式中：δa 为结构安全裕度；Lmt为结构规定限值；S为构件的最大效应；R为构件的容许抗力。

由于现存运行钢管杆种类繁多，若对每一基铁塔进行单独的结构安全性校核，费时耗力。文章提出针对单条输电线路上典型的钢管杆做结构安全裕度分析，对比加载通信天线前后钢管杆的安全裕度变化值，绘制不同加挂模式下的安全裕度变化曲线，能够给实际工程提供多种加挂方案选择。

3.2 杆塔安全裕度分析及安全评价

为了确保钢管杆在加挂通信天线后能够满足安全运行要求，认定其构件最大应力比限值Lmt＝0.95，绘制不同加载条件下的应力安全裕度曲线如图7(a)所示。同时，认定结构最大挠度限值对于直线塔取Lmt＝5‰，耐张塔取Lmt＝20‰，绘制不同加载条件下的挠度安全裕度曲线[19]如图7(b)所示。

由图7(a)可知，3种塔型的初始应力安全裕度为终端塔＞30%、转角塔＞15%、直线塔仅为10%。由图7(b)可知，3种塔型的初始挠度安全裕度为终端塔约为12‰、转角塔＞9‰、直线塔仅为2.25‰。3类塔型的初始设计安全裕度有明显的区分，即终端塔作为整条输电线路终端，初始线路荷载大，自身安全裕度明显大于其他两类杆塔；直线塔作为线路中占比最多的类型，从经济性角度考虑，初始安全裕度最低；4 种转角塔初始安全裕度介于两种塔型之间。

在E、F 工况加载条件下，直线塔的应力安全裕度已经下降到安全红线下，已不符合结构安全要求。其余塔型在5种通信天线加挂形式下应力及挠度安全裕度均大于规范要求。

图7 输电杆塔安全裕度曲线图

4 结论

通过上述研究得到如下结论：

(1)220 kV江苏省省网输电钢管杆2E2 模块经有限元建模分析具有加挂移动通信天线可行性。其中直线塔2E2-SZG1-42 最多可以在呼高下8 m加挂6付通信天线；耐张型转角塔及终端塔可以在呼高下8 m及呼高下11 m各加挂6 付通信天线，且还有一定的安全裕度。

(2)江苏省省网输电钢管杆2E2 模块中初始安全裕度由高到低依次为终端塔、转角塔、直线塔，是由输电杆塔重要性、经济性多重因素决定的。因此，在考虑杆塔加挂移动通信天线时，可以优先选择线路终端塔或转角塔作为挂载铁塔。