输电铁塔的静力学分析

为单 位 体 积 内 的 空 气 质 量，在 标 准 大 气 压 下，ｒ＝ ０．０１２ｋＮ／ｍ３；ｇ为重力加速度，一般取 ｇ＝９．８ｍ／ ｓ２；ｖ为风速，ｍ／ｓ。
总风压 ｗ是 由 平 均 风 压 及 脉 动 风 压 两 部 分
组成
ｗ＝ｗｆ＋ｗ
（２）
平均风压可由平均风速直接求得，但脉动风压
收稿日期：２０１７－１２－１２ 作者简介：杜 斌（１９８１－），电气工程师，主要从事电网规划建设。
铁塔作为输电线路的重要组成部件，其安全可 靠性直接影响着整个电网的正常运行。随着电力网 络的日益扩大，在一些极端天气条件下，铁塔倒塌事 故时有发生。因此，研究铁塔的力学性能具有必要 的理论意义和使用价值。因为铁塔的实际工作环境 较为复杂，现有的设计规范中以概率理论为基础的 极限状态设计法，以铁塔的荷载和材料强度为设计 值进行校验的设计方法存在一些弊端。实践表明， 这种方法只能满足基本的设计需要，在复杂的环境 下，将与实际情况产生较大差距。 １ 模型建立方法和单位制式 １．１ 模型建立方法
范规定 结 合 工 程 应 用 实 际 计 算 风 荷 载 的 静 力 风
压为
ｗ＝μｒμｓμｚｗ０
（３）
式中：ｗ０ 为基本风压；μｒ为重现期的调整系 数；μｓ为
结构特征系数；μｚ为风压的高度变化系数。
２．２ 覆冰荷载
对于导线覆冰增长过程的模型建立在导线的流
体力学中还存在一定差异，铁塔构件以角钢为主，与
的受力情况，再根据我国的设计规范规定计算该种 气象条件下风荷载和覆冰荷载的大小。同时，铁塔 所受的荷载还包括铁塔和架空线自身的质量及铁塔 两端架空线的不平衡张力。
图 １ 猫头塔有限元模型
２．１ 风荷载
根据空气动力学原理，风压和风速间具有以下
关系：
ｗ＝１ｒｖ２ ２ｇ
（１）
式中：ｗ为作用在单位面积上的风荷载，ｋＮ ／ｍ２；ｒ
（６），铁塔 两 端 架 空 线 应 力 值 差 再 乘 以 铁 塔 导 线 截
面积，就可以得到铁塔上不平衡张力：
σ０２－Ｅγ２ ２２ｌ４２σｃｏ２ ０２ｓ３β＝σ０１－Ｅγ２ １２ｌ４２σｃｏ２ ０１ｓ３β－αＥｃｏｓβ（Ｔ２－Ｔ１）
（６）
式中：σ０１，σ０２为已知条件和不同气象条件下架空线 弧垂最低点的应力；γ１，γ２ 为已知条件和不同气象 条件下架空线比载，γ＝ＧＡ（Ａ为架空线截面积）；Ｔ１，
比较常用的圆柱形覆冰模型有所不同，圆柱形覆冰
模型的覆冰过程主要取决于冰密度的增长，对角钢
而言，其单位面积的覆冰荷载为
Ｑ＝０．６ａ２γｂ
（４）
式中：Ｑ为单位面积上的覆冰的荷载，Ｎ／ｍ２；ｂ为表
面的覆冰厚度，ｍ；γ为单位体积覆冰质量，Ｎ／ｍ３；ａ２
为覆冰厚度随高度变化的系数。
２．３ 架空线的荷载
架空线荷载主要有自重荷载和不平衡张力荷
第 ６期
杜 斌： 输电铁塔的静力学分析
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不仅取决于脉动风速，还与平均风速有关系。
计算作用 于 结 构 表 面 上 的 风 压，不 仅 要 考 虑
平均风速和 脉 动 风 速，而 且 还 要 考 虑 结 构 物 表 面
的情况。为了更准确地反映各种因素对结构静力
风荷载的影 响，在 式 （２）的 基 础 上，我 国 的 设 计 规
载，自重荷载由自身质量引起，其大小不受气象条件
的影响，计算公式为
Ｇ＝ｑｇ
（５）
式中：ｑ为架空线单位长度的质量，ｋｇ／ｍ；ｇ为重力 加速度，一般取 ｇ＝９．８ｍ／ｓ２。
铁塔架空线不平衡张力大小与气象变化条件和
线路运行情况有一定关联，在不同气象条件下架空
线的应力有一定区别。根据已知的架空线应力和状
态方程可以得到其他气象条件下导线的应力，见式
Ｔ２ 为已知条件 和 不 同 气 象 条 件 下 架 空 线 温 度；α，Ｅ 为架空线温度膨胀系数和弹性系数。
本文中，风荷载根据不同高度的风压系数、风载 标准值和风载分配系数，分为 ８段分别换算为等效 静力风荷载，加载在铁塔的不同高ຫໍສະໝຸດ Baidu的 ８段上，铁塔 分段图和荷载加载图如图 ２和图 ３所示。
图 ２ 铁塔风载分段图
图 ３ 铁塔荷载加载图
３ 分析结果 分析结果 显 示，猫 头 塔 静 力 学 分 析 在 最 大 风
条 件 下 ，最 大 位 移 发 生 在 水 平 方 向 ，最 大 位 移 处 在 猫头塔顶 端，即 正 侧 面 左 边 悬 挂 地 线 的 地 方。最 大风 载 位 移 如 表 １所 示，铁 塔 变 形 云 图 如 图 ４ 所示。
第 ２３卷 第 １期
重庆电力高等专科学校学报
２０１８年 ２月
Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ．１
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｌｌｅｇｅ
Ｆｅｂ．２０１８

输电铁塔的静力学分析
杜 斌
（国网重庆市电力公司 石柱县供电分公司，重庆 ４０９１００）
摘 要：在大型有限元软件 ＡＮＳＹＳ中，建立 ２２０ｋＶ直线猫头塔的有限元模型，以最大风载和最大覆冰两种工况为 边界条件施加荷载，对铁塔进行静力学分析，得到铁塔在两种工况下的位移情况和最大应力值。研究结果可为铁 塔的动力学分析等后续研究提供理论基础，并对日常运检工作有一定的指导意义。 关键词：输电线路；铁塔；静力学 中图分类号：ＴＭ７５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８８０３２（２０１８）０１００４００３
铁塔的有限元模型采用自下而上的建模方法， 首先建立铁塔铁腿部分的关键点，然后把关键点连 接成线。其基本步骤如下：
１）确定铁塔的关键点坐标； ２）定 义 铁 塔 中 各 个 单 元 的 各 项 参 数 和 材 料 特性； ３）将关键点连接成线，并确定线的单元属性。 １．２ 单元类型选取 本文在有限元软件 ＡＮＳＹＳ中建立猫头塔有限 元模型时，采用桁架混合模型的方式。铁塔主材、横 钢材和斜钢材选取梁单元 ＢＥＡＭ１８８来模拟，杆单 元选取 ＬＩＮＫ１８０来模拟。建立的 铁 塔 模 型 如 图 １ 中的（ａ）、（ｂ）所示。 ２ 边界条件及荷载的施加 在有限元软件中分析，边界条件和荷载是否合 理关乎着分析结果的可靠性和正确性。对铁塔而 言，受力情况与气象条件有极大的关系，本文中主要 考虑最大风速和最大覆冰两种极端气象条件下铁塔