沿海地区输电铁塔抗风加固研究

第３５卷第２期　２０１３年４月　黑龙江电力　ＶｏＬ　３５　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１３　ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　沿海地区输电铁塔抗风加固研究　肖琦，李卓，郭校龙　（东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林１３２０１２）　摘要：为解决运行时间较长的输电铁塔运行时常发生大风倒塔事故的问题，以１１０　ｋＶ平闸甲、乙线双回路送电线路实际工　程为背景，从对输电杆塔的防风校核和计算人手，建立有限元分析模型，对输电塔的薄弱位置进行分析。通过ＡＮＳＹＳ软件模　拟节点板建立实体模型，对输电塔和其节点进行数值分析，提出加固补强方法，从而提高了输电塔的抗灾能力，为沿海大风多　发地区同类输电塔提高承载力提供参考。　关键词：输电塔；有限元法；节点板；加固补强方法；承载力　中图分类号：ＴＭ７５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１６６３（２０１３）０２—０ｌ０ｏ一０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ｗｉｎｄ——ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｆｏｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｉｎ　ｃｏａｓｔａｌ　ａｒｅａｓ　ＸＩＡＯ　Ｑｉ，ＬＩ　Ｚｈｕｏ，ＧＵＯ　Ｘｉａｏｌｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｄｉａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　１３２０１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｔｒｏｎｇ　ｗｉｎｄ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｗｉｔｈ　ａｇｅ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｗｅａｋ，ｔｏｗｅｒ　ｃｏｌｌａｐｓｅｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ　ｏｃｃｕｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　１　１０　ｋＶ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ，ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈｅｃｋ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｎｏｄｅｓ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｍｏｄｅｌ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｈｉｃｈ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ａｃｃｉｄｅｎｔ——ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｙｐｅ　ｉｎ　ｃｏａｓｔａｌ　ａｒｅａｓ　ｗｉｔｈ　ｓｔｒｏｎｇ　ｗｉｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｇｕｓｓｅｔ　ｐｌａｔｅ　ｍｏｄｅｌ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　中国的东南沿海地区受大风影响最为严重，陈　旧输电塔在风荷载的作用下经常发生断线倒塔事　故，严重影响了电力输送。因此，为了保障电力的　正常输送，应采取适宜办法予以解决。通常采取的　办法是更换铁塔，但这种方法实施起来费用高、难　度大、停电时间长…。对此，根据输电塔的特点，本　文提出采取增加辅助支撑加固补强方法。用ＡＮ．　ＳＹＳ大型有限元对输电塔与节进行非线性有限元模　输电塔结构有限元分析　１．１工程概况　阳江市１１０　ｋＶ输电线路中的ＺＧＵ１—１８双回　路直线鼓型塔，塔高为２８　ｍ，呼称高１８　ｍ，塔材是　Ｑ２３４Ｂ角钢。在２００８年的“黑格比”台风中，此输　电线路发生了程度不一的故障，暴露出现有塔型存　在的缺陷，所以加固此类输电塔，提高抵抗大风的　能力和保证输电塔安全运行迫在眉睫。　１．２有限元计算　拟分析　Ｊ，建立有限元分析模型，以９０。大风工况为　依据，解析在风荷作用下输电塔的薄弱位置。在薄　弱主材的位置采用组合角钢的加固方法增添１根　相同型号的主材，计算螺栓位置和填板距离，以提　高输电塔整体刚度与承载力。　按照风压高度变化系数的不同，把输电塔的模　型分成１１段，风荷载的设计值加载到杆塔主材的　节点上，每一个水平截面上有４个受力点。图１标　出了在大风工况下比较危险的杆件在正常的状态　下薄弱杆件对称出现。图１上圆圈处表示的是超　过屈服强度的杆件（只标出了一侧薄弱杆件），由此　收稿日期：２０１２—１１一Ｏｌ　作者简介：肖琦（１９６２一），女，教授，主要从事输电线路及杆塔设　计理论及设计方法研究。　可见薄弱杆件全都集中在塔身处。运行时，此部分　第２期　肖琦，等：沿海地区输电铁塔抗风加固研究　杆件超出了它们的极限形变，从而导致整塔承载力　不足，此结果与实际状况较吻合。实际情况表明，　同类塔型在杆件①处率先屈服，进而拉动杆件②、　③，致使整体倒塌。　图１　大风工况下输电塔薄弱位置　２输电塔加固补强方法　根据实际情况，用组合角钢方法对以上分析中　的薄弱杆件进行加固，附加１根相同规格的主材在　其上，用一字型的填板连接，提高整个塔的承载力。　校核连接薄弱杆件的节点，对加固后输电塔第一个　失效杆件的受力性能进行分析。　２．１填板计算　为了保证两个角钢成形组合截面，用一字填板　型。通过规范得知填板间距离不应超过４０３／　（压　杆）或８０３，　（拉杆），其中ｙ　为回转半径。计算填板　问距下不同螺栓个数的单个螺栓所承受的剪力，不　能让它超过螺栓的抗剪承载力。明确螺栓的布置　方式与螺栓个数，以螺栓数最少为目标［３］。两个等　边角钢组成Ｔ形断面应力和螺栓计算方法：　横向剪力为　，　２￣ｒＡｆ（１一咖）ｉ　——　一　竖向剪力为　ｎ一一—————————————　——————一．——　２（Ｚ０＋０．５ｔ）｛１＋［　１／（Ｚｏ＋０．５￡）］　｝　单个螺栓承载力设计值为　＝　，　＝ｄ∑　・　，　Ｎ＇ｍｉ　＝ｍｉｎ（　，　），ｎ≥　Ｖｍｉ“　当螺栓个数取２时，计算结果为９４　ｋＮ，满足要求。　角钢及填板都选用Ｑ２３５钢，填板厚１０　ｍｍ，螺　栓型号选取８．８级Ｍ１６ｔｈｌ７．５，填板间距取１．６　ｍ，　填板及螺栓尺寸如图２所示。　图２填板及螺栓尺寸（单位：ｍｍｌ　２．２节点板校核　由勘察可知，受损输电塔的螺栓孔处有开裂现　象，因此应考虑节点板承载力是否满足实际需要。　采用可以同时考虑材料、几何及状态非线性的大型　结构分析有限元软件ＡＮＳＹＳ　１０．０，建立组合节点的　分析模型并对受力性能进行模拟分析　］，如图３所　示。本文以钢材达到Ｑ２３５最大容许应力或结构变　形达到角钢厚度的３％时，为节点发生破坏。　节点板和角钢均采用Ｑ２３５钢，根据钢材的弹　塑性特点，钢材本构关系可采用简化的模型如图３　所示。弹性模量取２．１０×１０　ＭＰａ，屈服强度和极　限强度分别为２３５　Ｎ／ｍｍ　和４２０　Ｎ／ｍｍ　，泊松比取　０．３，计算采用ｙｏｎ　ｍｉｓｅｓ屈服准则及相关流动准则。　选取每个节点有６个自由度的４节点四边形壳单元　ＳＨＥＥＬ１８１来模拟节点板及角钢　Ｊ。为了简化有限　元分析模型，采用的有限元模型中将不建立螺栓模　型，而只把节点板和角钢螺栓孔边上的节点进行自　由度耦合。将竖向主角钢杆件下端面节点全部自　由度进行约束，其它角钢端部节点约束除沿角钢轴　线方向线位移以外的其它自由度，末端节点均匀施　加沿杆件轴向荷载。为了主要研究节点板的受力　性能及破坏模式，在建模和加载时采用在角钢端面　施加等应力的方案，如图４所示。在有限元求解分　析过程中，采用弧长法。　图３节点示意图　对模型施加荷载，节点受力情况如图５所示。　荷载通过螺栓逐渐传至节点板上。整个受力过程　中，节点板出现变形，钢材已经屈服，由应力图５ａ可　知，节点板的钢材未达到它的极限强度，此时的变　形图如图５ｂ所示，节点板自由边呈现明显的平面　・１１Ｏ・　黑龙江电力　第３５卷　呈线性变化趋势，也说明杆塔结构虽然为多次超静　定结构，但是可视为一个结构整体，此结构整体具　破坏。　有其固有的刚度、模态等属性。在正常使用状态　下，固有属性是基本保持不变的，只有在荷载过大、　参考文献：　［１］李正，杨靖波，韩军科，等．２００８年输电线路冰灾倒塔原因分　析［Ｊ］．电网技术，２００９，３３（２）：３１—３５．　［２］　刘春城，孙显鹤，牟雪峰，等．高压输电塔覆冰荷载作用下可靠　度分析［Ｊ］．水电能源科学，２０１１，２９（５）：１５６—１５８，１１２．　［３］ＤＬ／Ｔ　５０９２—１９９９．１１０—５００　ｋＶ架空送电线路设计技术规程　［ｓ］．北京：中国电力出版社，２００３．　材料变异、构件失效过多等情况下，才会导致固有　属性发生变化，从而导致最终的破坏。　３　结　论　１）在保持风速不变的状况下，随着覆冰厚度的　［４］　李茂华，李正，任吉华，等．５００　ｋＶ输电线路杆塔结构的可靠　性分析［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（２３）：９１—９４．　［５］　博弈创作室．ＡＮＳＹＳ９．０经典产品高级分析技术与实例详解　［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００５：２９８—３４２．　［６］同济大学．高耸结构设计规范（ＧＢＪ１３５—９０）［ｓ］．北京：中国　建筑工业出版社，１９９１．　增加，输电塔失效概率随之增加。　２）覆冰厚度较小时，主材的最大应力出现了拉　应力。当覆冰荷载与风荷载同时作用于输电塔时，　荷载产生的效应以风荷载为主；覆冰厚度较大时，　以覆冰荷载为主，输电塔更容易出现因局部强度不　足而导致的输电塔破坏，输电塔的强度失效概率大　［７］　冯径军，柳春光，冯娇．输电塔线在覆冰与风载下的可靠性分　析［Ｊ］．水电能源科学，２０１１，ｌｏ（２）：２０３—２０６．　［８］　陈朝晖，汤海涛．基于Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｒｌｏ法的极值风速模型研究　［Ｊ］．工程力学，２００９，２６（ｓ１）：１９３—１９７．　（责任编辑郭金光）　于刚度失效概率。　３）杆塔的水平位移主要因风荷载引起，如风速　过大，输电塔容易发生因位移过大而造成的刚度　科信部召开２０１３年科技信通暨智能电网工作会议　为贯彻落实国家电网公司２０１３年科技暨智能电网、信息通信工作会议、公司职代会暨２０１３年工作会议精神，总结省公司　２０１２年科技信息通信和智能电网工作，安排部署２０１３年重点工作任务，以发挥科技、信息和通信技术的引领支撑作用，提升　智能电网建设管理水平。２月２０日，科信部召开了２０１３年科技信通暨智能电网工作会议。党组成员、副总经理李运灵出席　会议并讲话。　李总作了《科学谋划创新发展努力开创科技信息通信和智能电网工作新局面》的工作报告。报告中全面总结了２０１２年　科技、环保、信息、通信和智能电网工作成绩，分析了当前面临的形势、存在的差距和问题，提出了在新形势下要做好以下几个　方面的重点工作：一是全面推进科技创新体系建设；二是加强支撑服务能力建设；三是加强知识产权和技术标准管理；四是扎　实开展环境保护工作；五是加快信息化项目建设；六是持续推进通信网建设；七是深入推进信息系统深化应用；八是努力提升　信息通信安全运行水平；九是扎实推进智能电网建设；十是全力以赴做好同业对标工作。　会上科技环保、信息、通信及智能电网专业分别作了工作汇报，结合各自的专业特点，ｇ￣２０１３年的重点工作作了详细的部署。