塔线体系在覆冰荷载作用下的力学性能

第３０卷第６期２　０　１　

２年６月水　电　能　源　科　学

Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．６

Ｊｕｎ．２　０　１　

２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０６－０１６６－

０４塔线体系在覆冰荷载作用下的力学性能研究

刘春城，刘法栋，毛绪坤，李霞辉

（东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林１３２０１２

）摘要：以５００ｋＶ典型设计中的５Ｂ－ＺＢ１直线酒杯塔为原型，采用空间桁梁混合结构来分析输电塔和索结构，并基于有限元方法分析导地线，构建了输电塔及塔线体系模型，通过逐级增加覆冰厚度的方法进行静力计算，分析了输电塔和塔线体系在覆冰荷载、风荷载、自重荷载及导线张力共同作用下的力学性能，对比分析了计算结果。结果表明，在覆冰荷载作用下杆塔的主要破坏是达到钢材的屈服强度而发生失稳破坏，输电单塔比塔线体系更偏于安全，

而塔线体系更符合实际情况。关键词：输电塔；塔线体系；ＡＮＳＹＳ；覆冰；力学性能中图分类号：ＴＭ７５３；ＴＭ７２６．３

文献标志码：Ａ

收稿日期：２０１１－１０－１０，修回日期：２０１１－１１－１８基金项目：吉林省自然科学基金资助项目（２０１０１５５４

）作者简介：刘春城（１９６９－），男，教授，研究方向为输电线路工程防灾减灾和碳纤维复合芯导线的开发与应用，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｃｃｈｅｎｇ

＠ｍａｉｌ．ｎｅｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 输电线路覆冰是一种严重的自然灾害，

低温、冻雨、湿雪、冰冻等恶劣天气会造成输电线路严重覆冰，引起覆冰闪络、断线、倒塔等电网灾害，严重威胁电网安全运行，给社会造成了巨大的经济损

失［１］

。因此，研究覆冰荷载作用下输电线路的力

学性能具有重要的理论意义和工程价值。目前，输电线路覆冰研究已取得重大进展。Ｊｏｎｅｓ　Ｋ　

Ｆ等［２］

在导地线径向均匀覆冰模型的基础上，提出

了角钢铁塔的均匀覆冰数学模型，给出了计算公式，

计算了不同截面形状的一致均匀覆冰厚度；刘纯等［３］以湖南５００ｋＶ复沙线倒塔段为原型建立

有限元模型，通过计算分析得出了输电塔随导线

覆冰厚度变化的极限承载力；李雪等［４］以湖南

２２０ｋＶ挂靖线倒塔段为原型建立塔线体系有限元模型，对覆冰和风荷载作用下输电塔线体系进行非线性屈曲分析，计算出覆冰荷载及风荷载与覆冰共同作用下输电塔结构的极限承载能力，分析了倒塔的主要原因。鉴此，本文以５００ｋＶ典型设计中的５Ｂ－ＺＢ１直线酒杯塔为原型建立输电塔及塔线体系模型，通过逐级增加覆冰厚度的方法进行不同覆冰厚度下的静力计算，对输电塔和塔线体系的力学性能进行分析。

１　构建模型

输电塔的原型采用５００ｋＶ典型设计中的５Ｂ－

ＺＢ１直线酒杯塔。该输电塔地处５Ｂ模块，为海拔１　０００ｍ以内、设计风速３２ｍ／ｓ、覆冰厚度１０ｍｍ、导线为４×ＬＧＪ－

４００／３５的单回路酒杯塔。塔高４７．５ｍ，呼高４２．０ｍ，根开７．７６ｍ，塔身的平面形状为正方形，水平档距为４２０．０ｍ，垂直档距５５０．０ｍ，代

表档距３５０．０ｍ。输电塔塔材选用Ｑ３４５和Ｑ２３５角钢。将输电塔结构作为空间桁梁模型建模，所有梁单元均选用ＢＥＡＭ１８８单元模拟，杆单元均选用ＬＩＮＫ８单元模拟。输电塔的有限元模型见图１。

图１　输电塔有限元模型

Ｆｉｇ．

１　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ根据５００ｋＶ典型设计中关于绝缘子串规

范［５］

要求，本模型采用２８片ＸＷＰ－

１６０，总长４．３４ｍ，其中相绝缘子串采用“Ｖ”型布置。用ＡＮＳＹＳ建模时采用ＬＩＮＫ８单元，绝缘子串与输电导线之间的连接及与输电塔横担处的连接都认为是铰接。

架空输电线路的档距比输电导线的截面尺寸大得多，

同时输电导线多采用多股细金属线构成的绞合线，因此导线的刚性对其悬挂空间曲线形

第３０卷第６期刘春城等：塔线体系在覆冰荷载作用下的力学性能研究

状的影响很小，可忽略不计。本模型导线采用４×ＬＧＪ－４００／３５，地线采用ＪＬＢ４－１５０，输电导线的特点是不能承受弯矩和压力，只能受拉力，因此用ＡＮＳＹＳ建模时导地线均采用ＬＩＮＫ１０单元。三塔四线体系的有限元模型见图２

。

图２　塔线体系模型

Ｆｉｇ．２　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｌｉｎｅ　ｓｙ

ｓｔｅｍ　ｍｏｄｅｌ２　荷载计算

塔线体系承受的荷载包括风荷载、导地线对输电塔的荷载、

输电塔自重荷载等。导地线的垂直荷载可视为导地线的垂直比载与线路档距和导地线外径的乘积。导地线的自重比载是由其自身质量引起的，不受外界因素的制约。将导地线上的覆冰简化为空心圆柱模型，冰重比载的大小受覆冰厚度和导地线外径的影响。垂直荷载（包括

导地线的自重和覆冰重量）

［６］

为：Ｇ＝ｎＬＶｑｇ×１０－３＋２７．７２８ｂ　ｂ＋（）ｄ×１０－

［］３（

１）式中，ｎ为每相导线子导线根数；ＬＶ为垂直档距；

ｑ为导地线的单位长度质量；ｇ为重力加速度；ｂ为覆冰厚度；ｄ为导地线外径。

水平荷载主要是方向作用在水平面内的风荷载。导地线风荷载为：

Ｐ＝αβｃμｓμ

ｚｗ０ｄＬｈｓｉｎ２

θ（２）式中，α为风压不均匀系数；β

ｃ为电线风载调整系数；μｓ为电线风载体型系数；μｚ为风压高度变化系数；ｗ０为基本风压；ｄ为覆冰时的平均外径；Ｌｈ为水平档距；θ为风向与电线的夹角。风向与结构平面垂直时的杆塔结构风荷载为：

Ｗ＝βｚμｙμ

ｚｗ０Ａ（３）式中，βｚ为风压调整系数；μｙ为杆塔结构的体形系数；Ａ为结构垂直于风向的投影面积。

３　输电单塔静力计算

根据５００ｋＶ典型设计规范［５］

要求，

覆冰正常运行情况下风速为１０ｍ／ｓ。在研究输电塔覆冰时，为更好模拟实际情况在施加覆冰荷载的基础上加入风荷载，因此本模型取覆冰风速为１０ｍ／ｓ

。考虑均匀覆冰的情况，在计算输电导线覆冰荷载时将覆冰截面定义为圆环形状，塔架则认

为角钢被覆冰均匀包裹，冰的密度取９００ｋｇ

／ｍ３

。通过设置材料密度来实现将输电塔自重荷载与输

电塔的覆冰荷载共同加载在塔架模型上。正常运行情况下覆冰厚度１０ｍｍ，因此考虑覆冰从１０ｍｍ厚度开始，

通过逐级增加覆冰厚度的方法，得出各覆冰厚度下导地线对应的荷载值，等效施加到导地线挂点对应的输电塔模型节点上，直至输电塔破坏。

当结构或构件超过某一特定状态就不能满足设计规定的某项功能要求时的状态就是极限状态。极限状态通常分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态是对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形，

包括结构构件或连接因强度超过而破坏，结构或其一部分作为刚体而失去平衡（如倾覆、滑移、丧失稳定、出现过度的塑性变形），在反复荷载下发生的疲劳破坏等。对输电塔，主要看其杆件是否超过钢材的屈服强度和节点的最大位移是否在规范要求的范围内。

将输电塔从下到上分为１１个区间，分别计算各区间的风荷载，

将风荷载等效为静力荷载加载在杆塔主材节点上。导地线的重力荷载加载在挂点上。中相导线风荷载加载在绝缘子串挂点处，其余导地线风荷载加载到杆塔挂点上，见图３。依次对输电塔施加各覆冰厚度下的荷载进行计算，

提取相应的位移和应力，见表１。由表可看出，

在各覆冰厚度下塔身及塔腿部位的杆件发生的位移相对较小，背风侧绝缘子串、横担及地线支架的杆件发生的位移相对偏大。在正常运行情况时，塔腿和塔身应力普遍小于塔颈和横担处杆材应力，且小于钢材的设计强度

。

图３　输电塔荷载施加情况（单位：Ｎ）Ｆｉｇ．

３　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｏｎ　ｌｏａｄ计算４３ｍｍ覆冰时，刚度矩阵奇异，程序退出工作。程序不收敛是因杆件应力超过了屈服强度，结构产生过大的塑性变形而达到承载能力极限状态，致使计算结果不收敛。在４３ｍｍ覆冰时，塔顶地线支架处的最大位移占塔高的０．５１％，

小于高耸结构设计规范要求的变形值１％［７］

，节点

最大位移占该节点对地位移的０．６５％，也小于高耸结构设计规范要求的变形值１％，此时杆塔的主要破坏是达到钢材的屈服强度而发生的失稳破坏。

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