“布—也”35kV輸電線路24號鐵塔倒塔原因與對策探析

楊存喜

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊830000)

【摘要】作為一種風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)體系，塔—線輸電結(jié)構(gòu)在遇到強(qiáng)風(fēng)條件下容易產(chǎn)生風(fēng)振，給塔架結(jié)構(gòu)安全性帶來隱患，嚴(yán)重時易造成彎塔、倒塔事故。本文對“布—也”35kV輸電線路在極端惡劣大風(fēng)條件下發(fā)生的24號鐵塔倒塔原因進(jìn)行了分析，并提出了幾種鐵塔升級、加固對策，旨在提高輸電線路鐵塔的可靠性和安全性。

【關(guān)鍵詞】輸電鐵塔；倒塔原因；加固對策

中圖分類號：TM75

Analysis of ‘Bu-Ye’ 35kV power transmission line No.24 iron

tower collapse reasons and countermeasures

YANG Cunxi

(MWRXinjiangUygurAutonomousRegionHydroandPowerDesignInstitute,Urumqi830000,China)

Abstract:Tower-line power transmission structure can easily produce wind-induced vibration under the condition of strong wind as a wind-sensitive architecture, thereby bringing hidden danger to tower structure safety, tower can be bended and collapsed in serious condition. In the paper, reasons of No.24 iron tower collapse in ‘Bu-Ye’ 35kV power transmission line under strong wind conditions are analyzed, several iron tower updating and reinforcement countermeasures are proposed aiming at improving power transmission line iron tower reliability and safety.

Key words: power transmission iron tower; tower collapse reasons; reinforcement measures

隨著國家在電力設(shè)施建設(shè)方面的大力投入，塔—線輸電體系得到越來越廣泛的應(yīng)用，但因為輸電塔—線體系本身具有輕質(zhì)、高柔、小阻尼等特點，其結(jié)構(gòu)會在惡劣氣候條件(強(qiáng)風(fēng)、急雨、暴雪、地震等)下產(chǎn)生劇烈振蕩，易導(dǎo)致桿件變形甚至斷裂，影響整個結(jié)構(gòu)的安全性。在某些地方，風(fēng)荷載是造成輸電塔—線體系破壞的主要因素，特別是風(fēng)致側(cè)向載荷，歷史上發(fā)生的多次風(fēng)致倒塔事故也充分驗證了這一點。因此，必須對輸電塔結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)和倒塔原因進(jìn)行仔細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上提出有效防倒加固措施，增強(qiáng)體系抗風(fēng)能力。因而，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計者和線路管理者來說，根據(jù)實際情況，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下確保設(shè)計的合理性、可靠性并做好線路的日常檢修維護(hù)至關(guān)重要。

1工程概況

“布—也”35kV輸電線路位于新疆北部布爾津縣境內(nèi)，于2009年建成投入運營。根據(jù)布爾津氣象站1970—2008年的氣象資料和規(guī)程要求，經(jīng)過分析計算，風(fēng)速按照34m/s進(jìn)行設(shè)計并保有一定的安全裕度?！安肌病本€24號塔采用772—24型單回路上字形直線塔，單塔重1746.2kg，鐵塔總高度28.6m(其中呼稱高24m)。其垂直檔距為270m、水平檔距達(dá)193m，選用LGJ—120/25型輸電線。該塔型各項指標(biāo)經(jīng)核定均滿足極限風(fēng)速(34m/s)條件時的安全性。然而，近期全疆出現(xiàn)大范圍異常大風(fēng)現(xiàn)象，風(fēng)速級別達(dá)到13～15級以上，風(fēng)速達(dá)到33～47m/s，局部地區(qū)更高，全疆電力系統(tǒng)均不同程度受到風(fēng)災(zāi)影響。其中，布爾津氣象站監(jiān)測到的30m高度風(fēng)速突破40m/s。特大風(fēng)速造成“布—也”線24號鐵塔倒塔并殃及25號鐵塔嚴(yán)重受損。

2倒塔原因分析

造成“布—也”線35kV輸電線路24號鐵塔倒塔及25號鐵塔受損的原因有很多，其中特大風(fēng)速為主要因素，同時也包括設(shè)計考量與運行維護(hù)不足等原因。

a.統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：期間布爾津局部區(qū)域風(fēng)速達(dá)33.27m/s，根據(jù)分速級別劃分為13級，屬于颶風(fēng)。該風(fēng)速為10min自記錄10m高度風(fēng)速，此外按測風(fēng)儀不同高度測風(fēng)記錄， 10min自記錄20m高度和30m高度的風(fēng)速分別為36.6m/s和40.26m/s，屬多年不遇特大風(fēng)速。

由上述數(shù)據(jù)可知，期間大風(fēng)與塔架之間并非平行，增大了塔架與輸電線的迎風(fēng)面積，給鐵塔施加了極大的側(cè)向荷載。在長時間側(cè)向荷載作用下，塔架底部鋼結(jié)構(gòu)受到剪力和彎矩作用，逐漸逼近結(jié)構(gòu)設(shè)計抗剪、抗彎強(qiáng)度值，并最終突破局部強(qiáng)度極限值發(fā)生倒塌。

b.該工程鐵塔緊固方式為：鐵塔8m以下采用M16H6.8型防盜螺栓，8m以上采用SAE1010-1015型普通螺栓。普通螺栓的強(qiáng)度等級較低，一般低于4.8，自身材料硬度強(qiáng)度、抗扭和抗拉特性都不是很好。經(jīng)過事故現(xiàn)場勘查，倒損鐵塔的腰身及塔頭部位均有螺栓松動現(xiàn)象。螺栓松動在風(fēng)振情況下對鐵塔構(gòu)件穩(wěn)定性產(chǎn)生極大負(fù)面影響，在大風(fēng)來臨時對鐵塔的傾覆無疑起著推波助瀾的作用。

c.塔架下部柱角等相應(yīng)位置沒有加設(shè)足夠強(qiáng)度的橫隔和斜撐等，無法抵抗突增的巨大剪力和彎矩。我國電力輸送系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，輸電塔設(shè)置橫隔面需根據(jù)構(gòu)造要求提出，在塔身坡度發(fā)生改變的部位、直接受扭矩作用部位斷面處以及塔頂、塔角頂部斷面處設(shè)置。而在塔身坡度不發(fā)生改變的區(qū)段，橫隔面之間間距應(yīng)小于平均寬度(寬面)的4倍，且小于3段主材分段。聯(lián)系實際情況發(fā)現(xiàn)，在塔身不變段的底部發(fā)生折斷倒塌，該部位承受的彎矩較大，最易破壞。據(jù)此分析，由于塔架結(jié)構(gòu)底部承受了較大的側(cè)向力，且未對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋M隔和斜撐設(shè)計，也是致使塔架結(jié)構(gòu)破壞的一大原因。

事故產(chǎn)生的主要原因為此次多年不遇的特大風(fēng)速，雖然設(shè)計風(fēng)速的取值符合規(guī)范要求，但對區(qū)域性特大風(fēng)速預(yù)計不足；其次運行維護(hù)管理不到位，螺栓應(yīng)定期緊固；此外由于沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋M隔和斜撐設(shè)計，導(dǎo)致對側(cè)向壓力的抵抗能力不足。

3抗風(fēng)加固對策

a.由于受24號鐵塔倒塔影響，25號鐵塔部分主材和輔材受損程度嚴(yán)重。因此，建議設(shè)計部門對原有輸電線路工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，同時復(fù)核設(shè)計風(fēng)速并依據(jù)往年氣象資料對大風(fēng)概率進(jìn)行調(diào)整，提高鐵塔抵抗極端惡劣氣候的能力?？蓪⒃?4號、25號鐵塔(塔型為772—24)拆除，更換為兩基774—21塔型。更換時還要注意使此段塔-線布設(shè)方向與最大風(fēng)速方向趨于平行，盡量減少迎風(fēng)面積。同時，用于澆灌鐵塔基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級至少選用C20，混凝土主筋可采用HRB400或HRB335，箍筋可采用HPB300。最后，采用地腳螺栓形式連接鐵塔與基礎(chǔ)。

b.螺栓緊固方式調(diào)整。經(jīng)核驗，鐵塔8m以下仍可采用原有型號防盜螺栓，8m以上則換裝更高規(guī)格的機(jī)械摩擦防松螺栓，加裝彈簧墊圈。采用彈簧鋼材料的彈簧墊圈在裝配后被壓平，由于墊圈本身具有的彈性勢能較大，其反彈力作用到螺栓和螺釘，從而使螺紋間保持較高的摩擦力和壓緊力，達(dá)到防松目的。這樣就可以做到在兼顧防盜要求的前提下，充分緊固鐵塔，保證鐵塔整體穩(wěn)定性。同時緊固過程必須嚴(yán)格按初擰和終擰、由中間向兩邊同步施擰的步驟完成，并注意做好日常的檢修和加固。

c.由實際經(jīng)驗和模擬資料可知，風(fēng)致最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)下部第1、第2段，這與現(xiàn)場24號鐵塔倒塔情況完全一致。適當(dāng)增加橫隔面對提高鐵塔整體剛度有利。此外，加寬塔身對提高鐵塔抗彎剛度效果顯著，同時將變坡位置寬度適當(dāng)增加可以有效避免扭轉(zhuǎn)振型轉(zhuǎn)變?yōu)殍F塔風(fēng)致第一振型。特別在加設(shè)橫隔或斜撐時應(yīng)注意，橫隔面需搭設(shè)在塔身坡度恒定段內(nèi)，間距應(yīng)不大于4倍平均寬度和3個主材分段的長度。基于上述分析，在結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力處以局部增加橫隔和斜撐的方式進(jìn)行加固，加固部位如下圖所示。

輸電鐵塔加固示意圖

4結(jié)語

在我國電力行業(yè)大發(fā)展的今天，輸電塔—線防災(zāi)抗災(zāi)體系的建立和完善對確保輸電塔線體系的安全運行至關(guān)重要。針對輸電塔架等高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對體系動力響應(yīng)的盲目性、局限性以及惡劣氣候條件(地震、暴雪和大風(fēng)等)下輸電塔線體系時有破壞的現(xiàn)實情況，通過對此次“布—也”線35kV輸電線路24號鐵塔倒塔情況的深入調(diào)查分析，進(jìn)一步深化了對輸電塔架風(fēng)致倒塔機(jī)理及其結(jié)構(gòu)防風(fēng)抗風(fēng)加固方法的認(rèn)識，并得出以下主要結(jié)論：

a.由于采用的輸電塔防風(fēng)抗風(fēng)設(shè)計方法和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的不完善，由此設(shè)計的輸電塔—線體系在結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)比較明顯，應(yīng)引起結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的重視。

b.注意風(fēng)向角的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算，盡量減小導(dǎo)線與風(fēng)向之間的夾角，將導(dǎo)線迎風(fēng)面積降低，同時還需要提高鐵塔連接桿件的剛度、強(qiáng)度。

c.對輸電塔的薄弱環(huán)節(jié)采用增加適量的斜撐、橫隔進(jìn)行加固是明顯降低其應(yīng)力水平的有效方法，對于提高抗風(fēng)能力極為有利。

參考文獻(xiàn)

[1]張飛華,黃衛(wèi)菊,武利會,等.強(qiáng)風(fēng)作用下輸電塔風(fēng)致倒塔機(jī)理和抗風(fēng)加固方法探討[J].廣西電力,2011(6).

[2]梁樞果,鄒良浩,趙林,等.格構(gòu)式塔架動力風(fēng)荷載解析模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008(2).

[3]瞿偉廉.下?lián)舯┝鞯奶卣骷捌鋵旊娋€塔風(fēng)致倒塌的影響[J].地震工程與工程振動,2010(12).

[4]謝強(qiáng),閻啟,李杰.橫隔面在高壓輸電塔抗風(fēng)設(shè)計中的作用分析[J].高電壓技術(shù),2006(4).