沿海地區(qū)輸電鐵塔抗風(fēng)加固研究

肖 琦，李 卓，郭校龍

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012)

中國(guó)的東南沿海地區(qū)受大風(fēng)影響最為嚴(yán)重，陳舊輸電塔在風(fēng)荷載的作用下經(jīng)常發(fā)生斷線倒塔事故，嚴(yán)重影響了電力輸送。因此，為了保障電力的正常輸送，應(yīng)采取適宜辦法予以解決。通常采取的辦法是更換鐵塔，但這種方法實(shí)施起來(lái)費(fèi)用高、難度大、停電時(shí)間長(zhǎng)［1］。對(duì)此，根據(jù)輸電塔的特點(diǎn)，本文提出采取增加輔助支撐加固補(bǔ)強(qiáng)方法。用ANSYS大型有限元對(duì)輸電塔與節(jié)進(jìn)行非線性有限元模擬分析［2］，建立有限元分析模型，以90°大風(fēng)工況為依據(jù)，解析在風(fēng)荷作用下輸電塔的薄弱位置。在薄弱主材的位置采用組合角鋼的加固方法增添1根相同型號(hào)的主材，計(jì)算螺栓位置和填板距離，以提高輸電塔整體剛度與承載力。

1 輸電塔結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 工程概況

陽(yáng)江市110 kV輸電線路中的ZGU1－18雙回路直線鼓型塔，塔高為28 m，呼稱高18 m，塔材是Q234B角鋼。在2008年的“黑格比”臺(tái)風(fēng)中，此輸電線路發(fā)生了程度不一的故障，暴露出現(xiàn)有塔型存在的缺陷，所以加固此類輸電塔，提高抵抗大風(fēng)的能力和保證輸電塔安全運(yùn)行迫在眉睫。

1.2 有限元計(jì)算

按照風(fēng)壓高度變化系數(shù)的不同，把輸電塔的模型分成11段，風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)值加載到桿塔主材的節(jié)點(diǎn)上，每一個(gè)水平截面上有4個(gè)受力點(diǎn)。圖1標(biāo)出了在大風(fēng)工況下比較危險(xiǎn)的桿件在正常的狀態(tài)下薄弱桿件對(duì)稱出現(xiàn)。圖1上圓圈處表示的是超過(guò)屈服強(qiáng)度的桿件(只標(biāo)出了一側(cè)薄弱桿件)，由此可見薄弱桿件全都集中在塔身處。運(yùn)行時(shí)，此部分桿件超出了它們的極限形變，從而導(dǎo)致整塔承載力不足，此結(jié)果與實(shí)際狀況較吻合。實(shí)際情況表明，同類塔型在桿件①處率先屈服，進(jìn)而拉動(dòng)桿件②、③，致使整體倒塌。

圖1 大風(fēng)工況下輸電塔薄弱位置

2 輸電塔加固補(bǔ)強(qiáng)方法

根據(jù)實(shí)際情況，用組合角鋼方法對(duì)以上分析中的薄弱桿件進(jìn)行加固，附加1根相同規(guī)格的主材在其上，用一字型的填板連接，提高整個(gè)塔的承載力。校核連接薄弱桿件的節(jié)點(diǎn)，對(duì)加固后輸電塔第一個(gè)失效桿件的受力性能進(jìn)行分析。

2.1 填板計(jì)算

為了保證兩個(gè)角鋼成形組合截面，用一字填板型。通過(guò)規(guī)范得知填板間距離不應(yīng)超過(guò)40γi(壓桿)或80γi(拉桿)，其中γi為回轉(zhuǎn)半徑。計(jì)算填板間距下不同螺栓個(gè)數(shù)的單個(gè)螺栓所承受的剪力，不能讓它超過(guò)螺栓的抗剪承載力。明確螺栓的布置方式與螺栓個(gè)數(shù)，以螺栓數(shù)最少為目標(biāo)［3］。兩個(gè)等邊角鋼組成T形斷面應(yīng)力和螺栓計(jì)算方法:

橫向剪力為

豎向剪力為

單個(gè)螺栓承載力設(shè)計(jì)值為

當(dāng)螺栓個(gè)數(shù)取2時(shí)，計(jì)算結(jié)果為94 kN，滿足要求。

角鋼及填板都選用Q235鋼，填板厚10 mm，螺栓型號(hào)選取8.8級(jí)M16φ17.5，填板間距取1.6 m，填板及螺栓尺寸如圖2所示。

圖2 填板及螺栓尺寸(單位:mm)

2.2 節(jié)點(diǎn)板校核

由勘察可知，受損輸電塔的螺栓孔處有開裂現(xiàn)象，因此應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)板承載力是否滿足實(shí)際需要。采用可以同時(shí)考慮材料、幾何及狀態(tài)非線性的大型結(jié)構(gòu)分析有限元軟件ANSYS 10.0，建立組合節(jié)點(diǎn)的分析模型并對(duì)受力性能進(jìn)行模擬分析［4］，如圖3所示。本文以鋼材達(dá)到Q235最大容許應(yīng)力或結(jié)構(gòu)變形達(dá)到角鋼厚度的3%時(shí)，為節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞。

節(jié)點(diǎn)板和角鋼均采用Q235鋼，根據(jù)鋼材的彈塑性特點(diǎn)，鋼材本構(gòu)關(guān)系可采用簡(jiǎn)化的模型如圖3所示。彈性模量取2.10×105MPa，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為235 N/mm2和420 N/mm2，泊松比取0.3，計(jì)算采用von mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則。選取每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度的4節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元SHEEL181來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)板及角鋼［5］。為了簡(jiǎn)化有限元分析模型，采用的有限元模型中將不建立螺栓模型，而只把節(jié)點(diǎn)板和角鋼螺栓孔邊上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度耦合。將豎向主角鋼桿件下端面節(jié)點(diǎn)全部自由度進(jìn)行約束，其它角鋼端部節(jié)點(diǎn)約束除沿角鋼軸線方向線位移以外的其它自由度，末端節(jié)點(diǎn)均勻施加沿桿件軸向荷載。為了主要研究節(jié)點(diǎn)板的受力性能及破壞模式，在建模和加載時(shí)采用在角鋼端面施加等應(yīng)力的方案，如圖4所示。在有限元求解分析過(guò)程中，采用弧長(zhǎng)法。

圖3 節(jié)點(diǎn)示意圖

對(duì)模型施加荷載，節(jié)點(diǎn)受力情況如圖5所示。荷載通過(guò)螺栓逐漸傳至節(jié)點(diǎn)板上。整個(gè)受力過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)板出現(xiàn)變形，鋼材已經(jīng)屈服，由應(yīng)力圖5a可知，節(jié)點(diǎn)板的鋼材未達(dá)到它的極限強(qiáng)度，此時(shí)的變形圖如圖5b所示，節(jié)點(diǎn)板自由邊呈現(xiàn)明顯的平面

圖4 角鋼節(jié)點(diǎn)有限元模型

外失穩(wěn)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)板出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)不安全，需增加節(jié)點(diǎn)板厚度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖5 節(jié)點(diǎn)受力情況

2.3 加固可行性分析

本文擬采用組合角鋼的方法進(jìn)行加固［6］，對(duì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的節(jié)點(diǎn)板，采用增加厚度方法。原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板為8 mm厚，現(xiàn)增加節(jié)點(diǎn)板厚為10 mm，對(duì)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。組合角鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力如圖6所示。節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布情況如圖7所示。

圖6 組合角鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

由圖6可知，在整個(gè)受力過(guò)程中，各個(gè)角鋼和節(jié)點(diǎn)板無(wú)明顯變形。最大應(yīng)力出現(xiàn)在雙角鋼上，數(shù)值為239 N/mm2，由此，角鋼達(dá)到屈服，但未達(dá)到鋼材的極限強(qiáng)度。圖7表明節(jié)點(diǎn)板上應(yīng)力最大值為235 N/mm2，節(jié)點(diǎn)板無(wú)變形，鋼材未達(dá)到屈服，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是安全的。

圖7 節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布情況

3 加固方案

使用多年的輸電鐵塔作為輸電線路主要部件之一，常常會(huì)因荷載的增加或其它因素而需對(duì)其加固［7］。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)輸電塔加固補(bǔ)強(qiáng)是以幾何尺寸不變?yōu)榍疤幔瑢?duì)原輸電塔的構(gòu)件加大或更換高強(qiáng)度的材料，本文采用組合角鋼的方法進(jìn)行加固并且增大連接點(diǎn)板的厚度。

依據(jù)有限元分析并確定需用的加固方案，選擇停電檢修無(wú)風(fēng)的時(shí)間［8］，首先加固節(jié)點(diǎn)板，然后對(duì)主材進(jìn)行加固。

3.1 節(jié)點(diǎn)板的更換

利用鋼絲繩在所需要更換節(jié)點(diǎn)板的上下主材適當(dāng)位置連接收緊，之后更換節(jié)點(diǎn)板。

1)用與上下主材間縫隙相同的木板進(jìn)行支墊，放在兩主材之間。

2)在輸電塔的4個(gè)角設(shè)置拉線，設(shè)置拉線是為卸掉節(jié)點(diǎn)板上的剪力，并防止主材之間發(fā)生錯(cuò)位。

3)拆除舊的節(jié)點(diǎn)板，更換新節(jié)點(diǎn)板。4)拆除工器具，更換完畢。

3.2 主材加固

附加主材的時(shí)候楔板不動(dòng)，輸電鐵塔的一角只拆掉側(cè)面的螺栓，等副主材到位后把正副主材和鐵塔側(cè)面斜材共同連接一起。

4 結(jié)論

1)在大風(fēng)工況下，ZGU1－18雙回路直線鼓型塔塔身部位部分主材超過(guò)鋼材的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明現(xiàn)有塔型在遇到荷載超過(guò)其設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，整塔的承載力明顯不足。

2)單角鋼連接節(jié)點(diǎn)板破壞模式為板平面外的失穩(wěn)破壞，在角鋼端部部位受力最為不利，此位置屬于節(jié)點(diǎn)板的薄弱位置，在臨近破壞時(shí)，該部位進(jìn)入塑性，使節(jié)點(diǎn)板面外變形增加，最后破壞時(shí)表現(xiàn)為角鋼的失穩(wěn)破壞。

3)對(duì)加固后的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，建議采用與原來(lái)主材相同規(guī)格的塔材，對(duì)構(gòu)件較長(zhǎng)的主材，采用一字型填板進(jìn)行連接，對(duì)優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，主材和節(jié)點(diǎn)板均無(wú)明顯變形，說(shuō)明加固方案可行。

4)通過(guò)上述輸電塔加固措施，基本可以達(dá)到預(yù)期的效果，提高原塔抗大暴風(fēng)的能力，同時(shí)也為沿海地區(qū)輸電線路加固提供參考和依據(jù)。

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