劉 洋,李鴻澤,陳 杰,趙 恒,吳佰建

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103; 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司,江蘇 南京 210024;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189)

輸電塔一般是由多規(guī)格的型鋼構(gòu)成,具有塔身高、檔距大、柔性大的特點(diǎn),對地質(zhì)災(zāi)害、覆冰、颮線風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境因素較為靈敏[1-4],在極端環(huán)境作用下易發(fā)生桿塔倒塌事故[5]。據(jù)國網(wǎng)江蘇電力有限公司報告統(tǒng)計,近年來江蘇境內(nèi)的桿塔倒塌現(xiàn)象多發(fā)生在大風(fēng)天氣,且桿型集中于ZS、ZGU這2種直線塔型(這2種塔型均為20世紀(jì)70年代設(shè)計的典型塔型),事故大都表現(xiàn)為攔腰折斷。近年來,全球范圍內(nèi)極端天氣出現(xiàn)頻率增多,我國桿塔倒塌事故也呈現(xiàn)高發(fā)趨勢,迫切需要對桿塔的力學(xué)性能做出評估,掌握鐵塔的承載力特性,明確其結(jié)構(gòu)受力薄弱環(huán)節(jié)[6-7]。

建立輸電塔的數(shù)值模型,是對桿塔結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)工作之一,對輸電塔受力性能[8]分析以及結(jié)構(gòu)的損傷識別[9-12]具有重要意義,還可以為現(xiàn)有桿塔加固以及未來輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計[13]提供數(shù)值方法。ZS型桿塔廣泛應(yīng)用于110 kV架空輸電塔,現(xiàn)有桿塔基數(shù)大,服役時間較長,在大風(fēng)載荷[14]作用下易發(fā)生倒塌,開展此類桿塔的承載特性研究具有重要的實際工程意義[15-17]。

本文以ZS型輸電塔為例,建立了修正的梁單元模型,通過輸電塔的靜、動力特性研究,對比分析結(jié)構(gòu)在0°、45°、90°大風(fēng)工況下的力學(xué)性能,并進(jìn)一步提出加固解決方案,最后通過數(shù)值模擬對比分析,驗證加固方案的有效性。

1 桿塔的自動化數(shù)值模型

1.1 自動化數(shù)值模型生成

ZS型輸電塔為上字型塔,全塔各部件為等邊角鋼通過螺栓連接而成;塔身主材隨高度增加采用不同截面的鋼材,鋼材型號分別為16Mn合金鋼和Q235鋼。

輸電塔桿件的受力特點(diǎn)是承受彎矩、扭矩和軸向力,所有桿件均在大型商用軟件平臺ANSYS上自動生成,采用梁單元(BEAM188)模擬,該單元各端節(jié)點(diǎn)包含了x、y、z方向的位移以及繞這3個軸的扭動共6個自由度,桿件受力更加符合實際。桿件均為對心連接,忽略結(jié)構(gòu)的偏心作用、節(jié)點(diǎn)板、螺栓等[18-20]因素的影響。

鐵塔桿件主要由主材、斜材、輔材以及橫隔等部分連接而成。主材與橫隔間采用剛性連接,使用剛性連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模。輔材與斜材連接節(jié)點(diǎn)以及斜材間的交叉節(jié)點(diǎn)則為鉸接方式。建模過程中,梁節(jié)點(diǎn)的連線將會自動以剛接的方式與周圍桿件進(jìn)行連接,因此剛性節(jié)點(diǎn)自動生成。對于鉸接節(jié)點(diǎn),本文開發(fā)的程序可自動識別,并在節(jié)點(diǎn)處釋放輔材的轉(zhuǎn)動自由度,使之符合真實模型。

圖1 輸電鐵塔的數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of transmission towers

利用上述算法編制了自動化建模程序,可實現(xiàn)鐵塔模型的快速生成(只需要輸入少數(shù)幾何和材料參數(shù)),使得工程專業(yè)人員能夠?qū)⒕杏诮Y(jié)構(gòu)分析,大幅提高了實際生產(chǎn)中故障分析或者結(jié)構(gòu)評估的效率。該類型輸電塔模型大約有300個關(guān)鍵點(diǎn),約2 000個節(jié)點(diǎn),約1 500個單元;以42.3 m設(shè)計高度輸電塔為例,塔身呼高為36 m,塔身根開為3.46 m,整體與局部模型如圖1所示。需要說明的是,該算法具有通用性,其他類型的鐵塔也可以利用該算法自動生成,圖1(c)展示了ZGU鐵塔的模型。

1.2 風(fēng)荷載的確定與施加

風(fēng)荷載是塔身的主要活荷載,實際上ZS和ZGU這2類鐵塔桿塔倒塌均發(fā)生在大風(fēng)天氣。根據(jù)規(guī)范[20],作用于輸電塔上的荷載分為兩類,采用不同方式施加:(a)作用于塔身的風(fēng)載荷,依據(jù)最大風(fēng)速算出最大載荷,按照規(guī)范所規(guī)定的不同風(fēng)向角的荷載分配系數(shù)進(jìn)行計算,分段施加;(b)輸電線風(fēng)載荷,應(yīng)加載于懸掛點(diǎn)上。

垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

Wx=αWoμZμscβcdLpB1sin2θ

(1)

式中:α——風(fēng)壓不均勻系數(shù);μZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù);μsc——導(dǎo)線或底線的體型系數(shù);βc——500 kV和750 kV線路導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù);d——導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時的計算半徑;LP——桿塔的水平檔距;B1——導(dǎo)線、地線及絕緣子串覆冰風(fēng)載荷增大系數(shù);θ——風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角;Wo——基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值。

桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Ws為

Ws=WoμZμsB2AsβZ

(2)

式中:μs——構(gòu)件的體型系數(shù);As——迎風(fēng)面構(gòu)件的投影面積計算值;βZ——桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù);B2——桿塔構(gòu)件覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)。

2 ZS型鐵塔承載特性分析

針對輸電塔攔腰倒塌的事故現(xiàn)象,對鐵塔進(jìn)行承載特性分析,尋找倒塌原因,從兩方面對輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析:(a)結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)分析;(b)結(jié)構(gòu)動力特性分析。

2.1 鐵塔靜載荷響應(yīng)分析

圖2 0°大風(fēng)工況下桿塔的應(yīng)力云圖Fig.2 Stress contour of the tower under 0° strong wind

由于桿塔結(jié)構(gòu)為高柔體系,對橫向荷載較為敏感,實際桿塔倒塌多為大風(fēng)天氣發(fā)生。按照規(guī)范要求[21],分別對輸電塔在0°、45°、90°大風(fēng)載荷工況下進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)受力計算。

以0°大風(fēng)工況下桿塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析,從圖2可以看出,桿塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布大致為兩頭小中間大的趨勢;塔頭結(jié)構(gòu)剛度較大，所受載荷相對較小,構(gòu)件應(yīng)力最小;結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在橫隔層附近出現(xiàn)一定的波動現(xiàn)象,有減小的趨勢;相比于主材,斜撐以及腹桿受力較小。

計算結(jié)果表明,桿塔結(jié)構(gòu)受力主要由塔身4根主材承擔(dān),因此輸電塔的倒塌原因分析應(yīng)主要聚焦于主材的受力情況。經(jīng)過先期的有限元法和行業(yè)內(nèi)程序核算,發(fā)現(xiàn)輸電塔主材構(gòu)件長細(xì)比一般滿足要求,其承載能力主要由強(qiáng)度控制。由于主材的截面和材料屬性隨高度變化,將主要利用截面最大應(yīng)力而非截面彎矩或軸力作為指標(biāo)來考察桿塔的薄弱部分,0～23 250 mm高度構(gòu)件設(shè)計強(qiáng)度為310 MPa,23 250～42 300 mm高度構(gòu)件設(shè)計強(qiáng)度為215 MPa。塔身4根主材編號分別為1號、2號、3號、4號。定義承載力比k為承受的最大正應(yīng)力σx,max與設(shè)計強(qiáng)度σb的比值(式(3)),桿塔主材的承載力比數(shù)據(jù)見表1。

(3)

表1 0°、45°和90°大風(fēng)工況4根主材承載力及承載力比

表1可以看出:(a)輸電桿塔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力占比分布大致為兩頭小中間大;(b)對比于0°、90°大風(fēng)工況,45°大風(fēng)工況下主材部分桿件承載力最大,已超過設(shè)計值(107.28%),這也反映了該桿塔的抗扭效果較差;(c)3種大風(fēng)工況下的計算結(jié)果均顯示,23～26 m高度間的主材受力最大,是塔身的薄弱處。此時若主材破壞,塔身表現(xiàn)為攔腰倒塌,與國網(wǎng)江蘇省電力有限公司的調(diào)查結(jié)果一致,側(cè)面說明了數(shù)值模型較為可靠。

2.2 鐵塔動力特性分析

利用振型疊加理論對輸電塔進(jìn)行動力特性分析,計算輸電桿塔模型固有頻率和振型,進(jìn)而研究桿塔結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)。對于本文算例,通過ANSYS軟件提取了結(jié)構(gòu)前五階模態(tài)頻率,分別為1.396 0、1.398 3、5.462 6、5.542 2、10.205,得到桿塔振型如圖3所示。

圖3 鐵塔的前五階模態(tài)振型Fig.3 First five mode shapes of the tower

由圖3可知,鐵塔第一、二階振型圖主要為x、y向的振動,頻率非常接近,與塔身為正方形對稱截面屬性相符合;第五階振型出現(xiàn)了塔頭的扭轉(zhuǎn)。由于該輸電塔塔型為上字型塔,塔頭不是幾何對稱,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏心;在45°大風(fēng)工況的誘導(dǎo)下,結(jié)構(gòu)較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動從而產(chǎn)生荷載的二次效應(yīng),使得桿塔呈現(xiàn)出攔腰破壞的現(xiàn)象。

3 鐵塔加固分析

針對輸電塔承載力分析,主材的安全度由材料自身強(qiáng)度最大值決定,本文提出了在薄弱塔身部分的原有結(jié)構(gòu)上利用已有的螺栓和連接板并聯(lián)一根共規(guī)格的角鋼,形成新的截面組合結(jié)構(gòu)。主要的截面形式十字形、Z字形、T字形和C字形等,如圖4所示。

圖4 不同形式的組合截面Fig.4 Different forms of combined sections

將輸電塔模型按高度等分為7段,通過ANSYS數(shù)值模擬,分析輸電塔加固前后的承載力比折線圖,如圖5所示。通過折線圖的對比分析,輸電塔主材結(jié)構(gòu)性能有了顯著的提升,可證實加固方案的有效性。

圖5 加固前后承載力比折線Fig.5 Change of bearing ratios before and after the reinforcement

4 結(jié) 語

以ZS型輸電桿塔為例,編制了鐵塔自動化快速建模程序,探討了鐵塔結(jié)構(gòu)的靜力和動力承載特性,解釋了工程實際中ZS型鐵塔大風(fēng)作用下攔腰破壞的原因。鐵塔的梁單元數(shù)值模型計算結(jié)果表明該型塔抗扭轉(zhuǎn)性能較差;大風(fēng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)受力為上下小中間大,塔身容易從中間折斷,與倒塌事故相一致。通過輸電塔加固方案的比較分析,現(xiàn)有的ZS型輸電塔塔身中部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固,可以有效提高其承載能力。同時,對于新設(shè)計塔型應(yīng)適當(dāng)增加主材截面尺寸,確保在極端荷載下可安全運(yùn)行。