覆冰输电塔—线体系的抗风加固设计_龚桢佳.pdf

第 36 卷第 1 期2023 年 2 月常 州 工 学 院 学 报Journal of Changzhou Institute of TechnologyVol 36No 1Feb 2023doi:10 3969/j issn 1671-0436 2023 01 009收稿日期:2022-04-14作者简介:龚桢佳(1996)，男，江苏苏州人，硕士研究生，主要研究方向为结构工程钢结构。通信作者:赵宝成(1970)，男，内蒙古赤峰人，博士，教授，690056365 qq com。覆冰输电塔-线体系的抗风加固设计龚桢佳，赵宝成(苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州 215011)摘要:输电塔-线体系为高耸柔性结构，易受风荷载与覆冰荷载的影响。随着设计标准的提高，一些运行时间久、建设标准低的老塔需要维护，同时新建塔缺少抗风抗冰结构加强性设计指导。文章以某 220 kV 猫头型输电塔塔线耦联体系为研究对象，运用有限元模拟结构在风冰耦合工况下的运行状况，结果表明:输电塔-线体系在风载冰载作用下杆塔的挂线点、塔身中部、塔腿主材可能出现局部破坏。针对这一系列杆塔安全性能不足的问题，可采用增大主材截面与添加横格的措施对结构进行加固。运用弧长法分析加固前后输电塔的静力承载能力，得出以下结论:加固塔腿主材经济有效;添加横格安全性能提升最大;加固塔身主材耗材多且效果差，为最不理想方案。关键词:输电塔-线体系;覆冰工况;风荷载动力分析;杆塔加固中图分类号:TM752文献标志码:A文章编号:1671-0436(2023)01-0045-08Wind esistant einforcement Design ofIce-covered Transmission Tower-Line SystemGONG Zhenjia，ZHAO Baocheng(Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011)Abstract:Transmission tower-line system is a high-rise flexible structure，which is easily affected bywind load and icing load With the improvement of design standards，some old towers with long operationtime and low construction standards need to be maintained，and the newly-built towers lack the strengtheningdesign guidance of wind and ice resistant structures In this study，a 220 kV cat-head transmission tower linecoupling system was taken as the research object，and the finite element method was used to simulate the op-eration of the structure under the wind ice coupling condition The results show that the tower hangingpoint，the middle of the tower body and the main materials of the tower leg may be damaged locally underthe action of wind and ice load In view of the lack of safety performance of these towers，the structure wasstrengthened by increasing the section of main timber and adding crossbars，and the static bearing capacity ofthe power transmission towers before and after reinforcement was analyzed by arc length method It is con-cluded that strengthening the main material of the tower leg is economical and effective，adding the cross lat-tice can improve the safety performance the most，and strengthening the main material of the tower body hasmore consumables and poor effect，which is the least ideal schemeKey words:transmission tower-line system;ice-covered condition;dynamic wind load;tower rein-forcement常州工学院学报2023 年0引言现代社会，电力是一切生产活动与社会生活的必须能源。我国幅员辽阔，电力能源的空间分布不均，主要依赖于架空输电线路传输电能。架空输电线路一般由电杆或铁塔架设于露天，兼有高耸与柔性的特点，对风作用敏感且易受气候影响。大量灾后调查研究表明1，极端风作用或冰雪灾害是引起输电塔-线体系过载的主要原因。为保证输电塔-线体系的安全运作，考虑风荷载与覆冰荷载耦合作用的设计计算极其重要。李宏男等2 比较了覆冰输电塔-线体系与覆冰导线在稳定风速下的动力响应，表明塔线耦联作用对覆冰导线风振的影响不可忽略，覆冰输电塔-线体系抗风安全强度应进一步提高;陈俊旗等3 分析了不同覆冰厚度和不同风速下输电塔-线体系的风振响应，结果表明在较高风速下覆冰导致的输电线路不平衡张力对输电塔-线体系作用明显，考虑覆冰和风荷载同时作用的设计规范标准应提高;林智鸿4 比较了单塔、输电线以及塔-线体系的动力特性以及动力稳定性，从这两方面进一步说明了塔线耦联的影响不可忽略;严波等5 比较了输电塔在静力与动力失稳前后的受力特征，并且分析了不同覆冰厚度与风向角对输电塔失稳的影响，得出在计算风冰耦合荷载下的输电塔稳定性时，风荷载选用脉动风荷载比等效静力荷载更准确的结论。本研究选用典型猫头塔 2B10-ZMC2，采用标准工况，运用 Abaqus 软件模拟输电塔-线体系在风冰耦合荷载工况下的运行，针对不同覆冰厚度与不同风速工况下结构出现的各种形式的破坏与安全隐患进行统计分析，提出相应的加固方案，并对加固效果进行模拟计算，以供电力设计部门参考，这对输电塔的抗冰抗风安全设计与存量输电塔的运行维护有着重要的意义。1输电塔-线体系有限元模型的建立本研究采用安徽电网存量猫头塔 2B10-ZMC2为研究对象，设计工况基本风速为 29 m/s，设计覆冰厚度为 20 mm。猫头塔设计单线图如图 1 所示。运用 Abaqus 软件对猫头塔进行有限元建模，采用全梁刚架模型，单元使用 B31 梁单元。构件截面尺寸如表 1 所示。固定约束杆塔塔腿底部的4 个节点，忽略地基对杆塔结构的影响。猫头塔有限元模型见图 2。图 1猫头塔设计单线图表 1角钢截面尺寸主材主材杆件辅(斜)材辅(斜)材杆件塔头、塔身、塔腿主体角钢、横格外框、挂线点角钢110 10100 8100 790 780 675 6与各部分主材相连的支撑、连接件63 556 450 445 440 440 3图 2猫头塔有限元模型结构的主材部分采用 Q345 钢材，辅材与斜材部分采用 Q235 钢材，材料为理想弹塑性本构模型，屈 服 强 度 按钢 结 构 设 计 标 准(GB64第 1 期龚桢佳，等:覆冰输电塔-线体系的抗风加固设计500172017)取标准值，材料屈服后无强化，输电塔模型的相关参数如表 2 所示。表 2输电塔相关参数参数取值Q345 屈服强度/MPa345泊松比03密度/(kgm3)7 850弹性模量/MPa206 000塔高/m39 5呼高/m33根开/m1104Q235 屈服强度/MPa235输电导线与地线是只承受拉力、不可压缩、不可承受弯矩的悬索单元，选用 T3D2 桁架单元对导线与地线进行建模，假定为理想弹性。根据设计图纸，本文所选输电塔的导线型号为 JL/G1A-400/50，地线型号为 JLB20A-150，水平档距选取资料中具有代表性的 400 m。导线悬垂绝缘子串长 3 2 m，地线悬垂绝缘子串长 0 4 m，导地线走线排布如图 3 所示。图 3输电塔导地线分布图绝缘子串为刚性材料，与导地线的连接可视为铰接，绝缘子串与金具的质量通过等效集中力加载在输电塔相应连接点处。输电导线与地线质量 均 匀 分 布，安 装 后 自 由 垂 落 呈 悬 链 状。Abaqus 软件无法直接作出一些特殊形状的曲线，需通过一定的找形方法来对导地线进行建模。本文采用直接迭代6 的方法来对导地线进行找形。直接迭代法的原理示意如图 4 所示。图 4直接迭代法示意图根据设计资料，导线 400 m 档距的跨中弧垂为 17 08 m，地线13 05 m。运用直接迭代法多次修改导地线初始长度与预应力，最终得到相应的结果，至此完成了导地线的建模以及塔线耦联步骤，输电塔-线体系有限元模型建成如图 5 所示。选用一塔两线的塔-线体系模型，导地线的远端视为铰接来简化边塔的作用，忽略边塔的变形对塔-线体系带来的影响。2风速样本与覆冰等级覆冰输电塔模型建立时需根据设计的覆冰厚度对构件截面尺寸进行加厚，而覆冰部分不具备承载能力，若是改变截面将会导致所有材料属性图 5输电塔-线体系模型74常州工学院学报2023 年发生改变，因此通过更为简便的等效密度法7 来施加覆冰荷载。该法不改变构件截面尺寸，将附着的冰的质量加到钢材中计算原有尺寸下的覆冰构件等效密度。构件等效密度计算公式如下:e=m钢+m冰S钢风荷载由作用在构件有效迎风面上的风压产生，风速又由平均风速和脉动风速叠加构成。其中，平均风可看作风速均匀、方向不变的风，产生的风力可看作静力。脉动风速8 即瞬时风速，具有高斯平稳随机性，均值为 0，风速大小、风方向随时间随机改变，其作用方式为与平均风叠加生成标准风速，顺平均风向的脉动风加大风速，逆平均风向的脉动风降低风速，因此与平均风向相同或相反的脉动风产生的影响最可观。脉动风速采用 Davenport 风速谱，时间序列模型采用 A 自回归模型9。通过 MATLAB 软件对脉动风速进行随机模拟，脉动风速的谱对比图及风速时程如图 6、图 7 所示。将模拟得到的脉动风速与平均风速叠加，并通过风速风压转化公式计算出作用在构件上的风压。运用等效集中力将计算得到的风压平均分配在加载点上10。本文研究覆冰输电塔-线体系的风荷载动力响应，主要控制因素为风荷载，影响因素为覆冰荷载。为方便统计分析，设定 0、10、20 mm 三级覆冰厚度并设定 100 组风速样本，每一级覆冰厚度对应100 组均匀分布的风速样本，风速区间为 20 m/s到50 m/s，风速间隔为0 3 m/s。如此得到了300组不同的风冰耦合荷载样本。图 6模拟风速功率谱与目标功率谱对比图 7脉动风速时程曲线3风荷载动力分析运用 Abaqus 软件对输电塔-线体系模型进行风荷载动力分析。根据输电塔构件为轻量化细长杆的设计判断，结构在风灾下一般发生失稳，导致杆塔侧倾破坏。结构相对薄弱的部位，遭遇较大的风速与覆冰厚度工况时，就会发生局部破坏，加