輸電鐵塔曲臂‘K’節點位移研究

吳慶華， 馮德奎

(中南電力設計院， 武漢 430071)

1 概述

改革開放以來，我國電網建設一直高速發展。1980年，建成我國第一條500kV平武線；1988年，建成我國第一條±500kV葛上直流輸電線路；2009年初，建成我國第一條1000kV晉東南-南陽-荊門特高壓交流試驗示范線路。目前，超過十萬公里的500kV輸電線路成為我國輸電主干網絡，特高壓輸電線路建設亦方興未艾，我國電網建設已達到一個新的水平。

輸電鐵塔是導、地線的堅強載體。多年來，高壓輸電工程中使用了多種塔型。從多數情況來看，單回路可分為無窗口塔型和有窗口塔型兩種。無窗口塔型多用于110kV以下電壓等級，如“上字型”鐵塔；有窗口塔型多用于220kV以上電壓等級，如“貓頭型”、“酒杯型”鐵塔。迄今為止，經過不斷的研究和實踐，貓頭塔，酒杯塔已廣泛運用于500kV及其他電壓等級線路中，見圖1，圖2。這兩種塔型的塔頭有一個共同特點，在結構上屬于鉸拱模型，都有看似‘薄弱’的K型節點。在工程設計時，根據電氣間隙圓的控制情況，有時將外曲臂設計成直線型，有時設計成折線型。兩種型式均運行良好，沒有發生因設計原因而引起的K節點破壞事故。第一個采用K節點的高壓輸電工程年代久遠，已無從考證。不過，首次采用酒杯塔的輸電工程——500kV平武線已安全運行近30年。第一個采用貓頭塔的500kV超高壓輸電工程——葛雙Ⅱ回已安全運行20多年。截止到2008年年底，全國500kV及以下輸電線路共有約36萬km，保守估計，共有約50萬基貓頭塔和酒杯塔在運行中。

圖1 某500kV輸電工程酒杯塔頭

圖2 某220kV輸電工程貓頭塔頭

結構上屬于鉸拱模型的K節點輸電塔在垂直負荷的作用下，K節點會發生一定量的結構性位移。理論上一定限度內的位移對結構不影響結構承載力，但視覺上對人們會產生心理上的影響。特高壓工程同時采用了酒杯塔和貓頭塔。由于塔頭尺寸大，位移也大，特別是外曲臂設計成直線的貓頭塔在K節點處發生視覺上的明顯橫向位移，引起了人們對其的重視。在發現特高壓鐵塔位移問題之后，具有相同結構型式的超高壓輸電線路鐵塔的安全性也引起了人們的關注。

因此，有必要對K節點位移進行研究，討論其產生的原因、調查已有線路運行狀況、分析位移對鐵塔承載力和安全的影響。由于500kV及以下電壓等級輸電塔塔頭尺寸相對不大，K節點位移不明顯，以前沒有引起過多關注，研究的很少。本文嘗試對500kV及以下電壓等級輸電塔K節點進行研究，得出一些有益結論供今后設計參考。

2 現場調查

筆者隨機選擇了兩條已運行多年的500kV線路作為研究對象。一條是500kV葛雙II回，1基貓頭塔，已安全運行20年；另一條是500kV興咸I回，2基酒杯塔，已安全運行3年。

這兩條線路中的酒杯塔和貓頭塔塔頭都是K節點形式，外曲臂都是直線型。現場多視角地通過肉眼觀察，并未發現K節點有任何異常。同時，利用全站儀對3基鐵塔的K節點位移進行了精確測量，發現都存在位移現象，結果見表1。

表1 500kV鐵塔K節點位移實測值 單位：mm

由表1中數據可以看出，隨機抽取的500kV線路中的酒杯塔和貓頭塔K節點都發生了橫向位移。其中，貓頭塔導線呈三角形排列，尺寸較小，位移也相對較小；酒杯塔導線三相并列，塔頭比貓頭塔大，外曲臂較長， K節點橫向位移值相對較大。但是，與同塔型的特高壓鐵塔相比，位移相對較小，視覺上不明顯。

通過現場調查發現，這些運行多年的鐵塔狀態良好。這說明，內、外曲臂在K節點處的有限位移并未降低鐵塔的承載能力，也不會影響安全運行。

3 理論分析

本文選取某一運行多年的500kV輸電線路中的酒杯塔zb421進行有限元分析(見圖3)。采用有限元軟件進行計算，利用ANSYS作為研究平臺，對塔頭進行整體穩定性分析，研究6種工況下K節點位移對其極限承載力的影響，見表2。

本文重點研究K節點及內、外曲臂，表2中的6種工況是內、外曲臂的控制工況。內、外曲臂采用beam188梁單元模擬，且采用角鋼截面形式以考慮其扭轉，其余桿件采用link8桿單元模擬。為考慮大位移產生的二階效應，分析時采用大擾度彈塑性理論。取內、外曲臂的1/1000作為初始擾度以考慮初始缺陷對桿件極限承載力的影響。鑒于在以上6種工況荷載開始作用時，鐵塔K節點在塔頭及導地線自重作用下已發生相對位移，故需要考慮K節點在位移已發生的情況下結構的極限承載力。本文通過模擬重力場，考慮導地線重量和鐵塔重量作用下，K節點在發生位移后，6種工況下的受力和位移情況。

圖3 某500kV輸電工程酒杯塔zb421三維有限元模型

表2 本文所研究的6種工況

本文首先進行屈曲分析，發現在表2中的6種工況作用下，全塔最先發生破壞的地方都不是K節點及曲臂。可見K節點并不是實際上最薄弱的地方。

然后在各種工況作用下，專門對塔頭進行穩定分析，找出K節點及曲臂的破壞荷載，見表3。分析計算結果發現，最終破壞處大都在外曲臂角鋼。

表3 曲臂破壞時的破壞荷載

既然K節點在荷載作用下必然會發生橫向位移，那么將zb421塔的上下曲臂連接處改為桁架結構(見圖4)，其受力與位移又將如何呢？

計算分析表明：①修改后的結構不再是雙鉸拱模型，結構的受力模式發生變化。②桁架結構并不能完全消除外曲臂的位移和K節點的橫向位移，且曲臂受力并沒有明顯改善。③修改后曲臂正面的輔助材由原來的零桿全部變為受力材，導致塔重顯著增加。經初步計算，單基塔理論重量增加1300kg以上，占單基塔重的6.27%以上，這還不包括節點板及螺栓重量的增加。一般情況下，直線塔在整條線路中的用量是最大的，顯然對整個工程來講是非常不經濟的。4.500kV及以下電壓等級線路中，K節點橫向位移本來就不大。加強K節點是完全沒有必要的。

圖4 zb421塔的K節點改為桁架后示意圖

4 鐵塔真型試驗分析

我國第一條500kV交流平武線于設計過程中，在良鄉試驗站進行鐵塔真型試驗。筆者也對當年的試驗報告進行了分析。研究結果表明，當時已注意到K節點的位移問題。真型塔試驗的是直線小轉角塔ZJ10，塔頭單線圖見圖5。鐵塔一共進行了6種工況的試驗，包括安裝導線、地線張力差、導線張力差、正常覆冰，正常90度大風及90度大風超載。試驗取得圓滿成功。

圖5 500kV平武線直線小轉角ZJ10塔頭圖

根據理論分析，鐵塔剛組裝時K節點的位移是肯定存在的，但這個位移太小或認為無關緊要，總之當時并未記錄。當鐵塔試驗加荷時，工作人員已發現并正常記錄了K節點的位移大小。

根據當時記載的試驗數據，前5種工況加載到100%設計荷載，然后卸載到零，發現K節點存在單側17～21mm的橫向位移(向外側鼓曲)；90度大風超載到170%，然后卸載到零，發現K節點存在28mm的橫向位移。這說明500kV鐵塔的K節點存在位移，不過與1000kV鐵塔相比，位移值要小得多。試驗也驗證了K節點位移并未降低鐵塔的承載力。

圖6 平武線ZJ10塔在90度大風下的位移曲線圖

圖7 平武線ZJ10塔在正常覆冰下的位移曲線圖

ZJ10塔全高38m，其中14.5m～33m高度之間為上、下曲臂段，K節點在26.5m高度上。由圖6可以看出，在90度大風作用下，加載100%和170%的曲線都比較平滑，不同高度的位移是逐漸有規律增加，未出現奇異拐點。在正常覆冰工況下，其位移亦如此，見圖7。因此，曲臂及K節點在荷載作用下的受力及位移與整塔相比是協調的。從視覺上看起來很‘薄弱’的曲臂及K節點能有效傳遞荷載，滿足強度、剛度及穩定要求，并未因K節點發生橫向位移而降低鐵塔承載力。

ZJ10塔通過試驗驗證，應用于該工程，安全運行至今。

5 結語

通過以上分析，可以得出如下結論：

⑴ 理論計算和真型試驗均表明，酒杯塔、貓頭塔K節點位移是正常的，對鐵塔承載力沒有影響。以往運行多年的線路，也未發現鐵塔因K節點發生破壞的現象。對于500kV鐵塔，K節點是一種安全和適合的設計方案。

⑵ 與1000kV線路鐵塔相比，500kV及以下電壓等級線路鐵塔塔頭尺寸小，K節點位移相對較小，視覺上不明顯。

⑶ 對500kV及以下電壓等級輸電線路鐵塔來說，加強K節點是完全沒有必要的。酒杯塔、貓頭塔都是鉸拱模型，K節點是鉸接點。如果加強K節點，不僅改變了鉸拱模型和其受力模式，無益于曲臂受力，而且使得塔重明顯增加。

⑷ 相關規范中對桿件位移的限值規定(1/750,1/1000)不適用于對K節點橫向位移的要求。節點的彈性位移并不等同于桿件初彎引起的P-Δ效應，不會降低桿件和結構的極限承載力。

[1]DL/T5154-2002，架空送電線路桿塔結構設計技術規定[S].

[2]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[3]GBJ233-90，110-500kV架空電力線路施工及驗收規范[S].

[4]500kV平武線送電線路工程ZJ10直線小轉角塔試驗報告[R].電力工業部中南電力設計院，1980.

[5]宋天霞.非線性結構有限元計算[M].武漢，華中理工大學出版社，1996.

[6]趙滇生.輸電塔架結構的理論分析與受力性能研究[D].杭州，浙江大學，2003.

[7]陳精一，蔡國忠.電腦輔助工程分析ANSYS使用指南[M].北京：中國鐵道出版社，2001.