徐明鳴，鄧 威，陳 鑫，何洪波

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410007)

窄基鋼管塔具有壓縮線路走廊，減少建設(shè)用地，分件運(yùn)輸和組裝等特點(diǎn)，逐步成為城區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的主要塔型。其可以設(shè)立在城市道路的綠化帶中，較大程度上避免與市政規(guī)劃沖突，另一方面，窄基鋼管塔占地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鐵塔，對(duì)節(jié)約城市的土地資源意義很大［1］，可以說(shuō)窄基鋼管塔既具有普通鐵塔的加工、運(yùn)輸、組裝方便的優(yōu)點(diǎn)，又占用線路走廊小，具備外形美觀的優(yōu)勢(shì)，因此，開(kāi)展窄基鋼管塔關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的研究就顯得比較迫切和必要。

220 kV中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔主要采用鋼管和角鋼的組合形式，與常規(guī)鐵塔相比，窄基鋼管塔根開(kāi)小，高寬比大，整體剛度柔［2］。目前，針對(duì)常規(guī)鋼管塔的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、加工標(biāo)準(zhǔn)等研究取得了較全面成果，而中冰區(qū)多回路窄基鋼管塔的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展工作。本文重點(diǎn)對(duì)220 kV中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔主斜材剛度配比作了研究分析。

1 窄基鋼管塔設(shè)計(jì)介紹

基準(zhǔn)風(fēng)速取23.5 m/s，設(shè)計(jì)覆冰取15 mm導(dǎo)線采用2×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，地線采用鋁包鋼絞線JLB40-150。設(shè)計(jì)導(dǎo)線安全系數(shù)6，地線安全系數(shù)7。鐵塔根開(kāi)4～6 m，全高采用一個(gè)坡度設(shè)計(jì)。主材采用鋼管，橫擔(dān)和塔頭交叉材采用角鋼，構(gòu)件材質(zhì)Q235B及Q345B，構(gòu)件連接采用鍛造法蘭、插板及螺栓。15 mm中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔使用條件見(jiàn)表1。

表1 15 mm中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔使用條件

2 塔身主斜材剛度配比研究

2.1 計(jì)算模型

目前的桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用滿應(yīng)力準(zhǔn)則法，該方法是將鐵塔簡(jiǎn)化為空間桁架結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件之間為鉸接，不考慮剪力和彎矩的影響。在桁架結(jié)構(gòu)中，鐵塔主材是主要傳力構(gòu)件，內(nèi)力大，主材規(guī)格也較高，斜材作為輔助構(gòu)件，主要起到約束主材和降低主材長(zhǎng)細(xì)比的作用，在滿應(yīng)力設(shè)計(jì)中斜材的內(nèi)力較小，往往出現(xiàn)“大主材小斜材”的情況，主斜材剛度差別較大［3］。

在實(shí)際情況下，窄基鋼管塔主材和斜材、橫隔材之間采用法蘭、十字插板及C型插板聯(lián)結(jié)，增加了節(jié)點(diǎn)的約束和整個(gè)鐵塔的剛度，使其不是完全的桁架模型。在桁架模型計(jì)算中，存在平面節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，即形成某一鉸節(jié)點(diǎn)的多根桿都在一個(gè)平面內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在這個(gè)平面內(nèi)是穩(wěn)定的，但在平面的法線方向上沒(méi)有約束，必須增加附加桿件來(lái)減小這個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度，導(dǎo)致模型復(fù)雜并帶來(lái)計(jì)算誤差［4-6］。本文采用有限元分析桁架模型、剛架模型和桁梁混合模型下窄基鋼管塔主斜材的剛度配比。

2.2 有限元計(jì)算

選取SSZG1四回路直線塔與 SSJG61、SSJG64四回路轉(zhuǎn)角塔為研究對(duì)象(見(jiàn)圖1)，四回路直線塔分為1～11個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間提取最大主斜材內(nèi)力;四回路轉(zhuǎn)角塔分為1～8個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間提取最大主斜材內(nèi)力。將塔身主斜材逐層分解，分析其不同模型下的力學(xué)特性及剛度配比情況。

圖1 四回路直線塔及轉(zhuǎn)角塔節(jié)間布置

桁架模型采用以滿應(yīng)力計(jì)算為核心的自立式鐵塔內(nèi)力分析軟件(TTA)計(jì)算;剛架模型和桁梁混合模型采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬，剛架模型中全部構(gòu)件采用Beam188空間梁?jiǎn)卧?，桁梁混合模型將鐵塔的主材視為梁?jiǎn)卧?采用Beam188單元)，其他斜材視為桿單元(采用Link8單元)。Beam188單元既能承受軸向力又能承受剪力和彎矩，基于Timoshenko梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮到剪切變形的影響，適合于分析纖細(xì)和較長(zhǎng)的梁結(jié)構(gòu)，Link8單元只能承受軸向力。鐵塔整體及頭部三維有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 鐵塔整體及頭部三維有限元模型

3種塔桁架模型、桁梁模型和剛架模型的主斜材最大軸力值見(jiàn)表2、表3、表4。

通過(guò)計(jì)算分析，3種模型的主材軸力值變化幅度較小，基本在3%以內(nèi)，而斜材軸力值變化幅度相對(duì)較大，多在20%～30%。同時(shí)四回路窄基鋼管塔斜材占主材內(nèi)力比值較大，直線塔最大可達(dá)6%左右，轉(zhuǎn)角塔最大可達(dá)到9%左右，而常規(guī)角鋼直線鐵塔約為1%～3%、角鋼轉(zhuǎn)角塔約為2%～5%。

在有限元計(jì)算中，桁架模型的所有節(jié)點(diǎn)理想鉸接，桿件只承受軸力，斜材及端部剛度較低，在受力分配中斜材內(nèi)力值較低。桁梁模型中，提高了斜材兩端節(jié)點(diǎn)剛度，在受力分配中內(nèi)力值增大。剛架模型中除了提高斜材兩端剛度外，還提高了斜材本身的受力剛度，所以該模型中斜材受力最大。窄基鋼管塔主材通過(guò)法蘭連接，增大了桿件端部的約束剛度，需要考慮桿端彎矩對(duì)主材受力的影響。塔身鋼管斜材采用C型或十字插板與主材連接，較常規(guī)角鋼構(gòu)件采用單面螺栓連接方式，鋼管斜材桿端連接剛度大大增加，因此桁梁模型或剛架模型相比桁架模型更符合窄基鋼管塔實(shí)際，所以在鐵塔設(shè)計(jì)中，采用TTA計(jì)算的斜材軸力值相對(duì)偏小，應(yīng)予以加強(qiáng)。

3 結(jié)論及建議

窄基鋼管塔相對(duì)常規(guī)鐵塔，結(jié)構(gòu)剛度較弱，整體高寬比更大，幾何非線性影響更強(qiáng)，同時(shí)其更具動(dòng)力響應(yīng)敏感性。為保證220 kV中冰區(qū)四回路窄基鋼管塔結(jié)構(gòu)的可靠性，建議其主斜材內(nèi)力比值為:直線塔斜材占主材的3%～5%;轉(zhuǎn)角小于60°的轉(zhuǎn)角塔斜材占主材的5%～7%;轉(zhuǎn)角不小于60°的轉(zhuǎn)角塔斜材占主材的6%～8%。

表2 SSZG61塔主斜材最大軸力值

表3 SSJG61塔主斜材最大軸力值

表4 SSJG64塔主斜材最大軸力值