有限元分析方法在鐵塔安全性評估中的應用

汪 楚 清

(寧夏回族自治區電力設計院，寧夏 銀川 750000)

有限元分析方法在鐵塔安全性評估中的應用

汪 楚 清

(寧夏回族自治區電力設計院，寧夏 銀川 750000)

對某輸電線路工程中兩基鐵塔上安裝載人登塔設備的問題作了研究,利用有限元軟件ANSYS，對安裝登塔設備后鐵塔的安全性進行了評估，分析結果表明，安裝智能登塔設備對鐵塔的安全性沒有影響。

輸電鐵塔，登塔設備，有限元分析，安全性評估

隨著特高壓、超高壓線路的建設，線路運行檢修經常需要攀爬鐵塔，當鐵塔高度超過50 m時，登塔檢修工作強度將成倍增加，工作效率越來越低，而且給作業人員帶來較大的安全隱患。因此，采用機械裝備代替人力登塔將成為今后電力檢修工作的發展方向[1-4]。為進一步推廣便攜式載人登塔設備(以下簡稱登塔設備)在寧夏輸電線路檢修中的應用，寧夏電力公司檢修公司2012年啟動“輸電線路便攜式載人登塔設備研發”項目，計劃在已帶電運行的±660 kV銀川東直流輸電線路2號塔及750 kV靈川Ⅰ，Ⅱ雙回輸電線路32號塔兩基鐵塔上對登塔設備進行試點應用。

兩基塔分別為ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高為52 m)，設計條件均為27 m/s風速，10 mm覆冰。雖然這兩基鐵塔實際使用的水平檔距和垂直檔距比設計條件要小一些，即鐵塔具有一定的安全裕度，但由于鐵塔設計時未考慮登塔設備這部分的負載，很難根據經驗判斷安全裕度是否滿足安裝要求。為保證登塔設備的順利安裝，需對這兩基鐵塔的安全性和可靠性進行全面的評估。

1 鐵塔安全評估方法現狀

從評估手段上講，目前有真型塔試驗和計算分析兩種。真型塔試驗一般是為了驗證施工、設計的合理性以及力學參數計算的準確性[5]，但由于其成本較高，且對于一些非控制鐵塔受力的輔助設施進行真型塔試驗也沒必要，因此目前主要還是采用計算分析最多。計算分析按鐵塔受力特點，分局部受力分析和整體受力分析兩種。局部受力分析適用于鐵塔上局部桿件承受集中荷載情況，該荷載對鐵塔整體性能影響不大，此時可對局部桿件按軸心受力或受彎進行手工計算，這在工程實際中應用較多，如周磊等[6]采用局部分析方法對在鐵塔橫擔部位安裝中繼系統設備的主要支撐構件的安全性能進行了分析。對于整體受力分析，由于鐵塔屬于超靜定結構，往往需要利用線性或非線性程序進行分析，如汪楚清等[7]利用ANSYS有限元分析方法對大跨越輸電鋼管塔的關鍵節點進行了安全性分析。

由于登塔設備對鐵塔產生的附加荷載沿塔身分布，可能對連接處鐵塔主材、斜材或橫隔材受力影響最大，而附屬荷載不方便導入鐵塔設計軟件TTA中，對這種近似分布式集中荷載的整塔計算分析帶來很大的難度。考慮到目前鐵塔設計屬于線彈性計算，按線彈性理論，可以將附屬荷載引起的各桿件內力的變化與設計條件下的桿件內力進行疊加，以桿件屈服強度為界限判斷桿件是否破壞，如破壞，則需加強。而附屬荷載引起的桿件內力的變化部分，利用有限元分析方法將大大降低計算難度，因此本文采用基于ANSYS軟件的有限元分析方法和手工計算相結合的方式對整塔的安全性進行評估。

2 登塔設備結構及主要參數

如圖1所示，登塔設備主要由導向架、攀爬機、傳動系統、標準節、連接件和夾具六部分組成。導向架作為攀爬機上下運行的軌道，永久固定在一側鐵塔上。攀爬機安裝在導軌上，通電的傳動系統通過齒輪與導軌間的嚙合作用為攀爬機的上下提供動力，完成運輸人員或貨物的工作。標準節起固定導向架作用，連接件通過夾具固定在交叉斜材上以增加登塔設備的水平剛度，防止攀爬機爬升或下降時產生晃動。

設備性能參數：導向架和標準節單位重量35 kg/m，夾具和連接件單位重量14 kg/m，額定負載100 kg，額定提升速度0.2 m/s，防墜落裝置的額定動作速度0.7 m/s，機體質量50 kg。

3 解決方案

根據前面的分析，利用ANSYS軟件單獨計算出在附加荷載作用下的整塔桿件內力，然后與TTA桿件數據進行疊加，因此附加荷載的計算和其對結構的作用影響成為安全性評估的關鍵。

3.1 附加荷載分析

登塔設備引起的附加荷載包括自重和風荷載，自重包括：1)導向架和標準節自重；2)連接件自重；3)攀爬機自重和負載。風荷載包括：1)導向架和標準節風荷載；2)連接件風荷載。由于登塔設備安裝在鐵塔側面，最不利風為90°大風，即垂直于線路方向的橫向風。

3.2 有限元建模和附加荷載的分配

利用ANSYS軟件，分別建立ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高52 m)有限元模型,由于登塔裝置引起的附加荷載主要控制桿塔主材和斜材的受力，因此有限元模型不建立橫擔。有限元模型中所有主材和斜材全部采用Beam189梁單元，橫隔材采用Link8單元。

考慮到導向架和標準節基本在每個斜材匯交附近處由連接件固定，因此將導向架和標準節在斜材交匯處分為不等長的各段，然后將各段導向架和標準節的自重、風荷載平均分配到與之相連的交叉點上；同時由于連接件靠近交叉點較近，近似將其自重和風荷載也由相近的交叉點承擔。如圖2中的圓圈所示，附加荷載全部轉化成集中力并施加在交叉點上。

3.3 荷載的計算

限于篇幅，以ZP2713(呼高78 m)為例說明計算過程。

1)重力。導向架和標準節35 kg/m，連接件14 kg/m，各段長度按圖紙取值。

2)風荷載。依據《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[8]對桿塔風荷載相關規定進行計算。計算風速27 m/s，導向架和標準節構件為鋼管，體型系數μs=1.1；連接件為角鋼，體型系數μs=1.3，風壓高度變化系數μz按《建筑結構荷載規范》[9]中規定B類地面粗糙度進行取值，為方便計算，取風振系數βz=1.6，覆冰風荷載增大系數B=1.2，構件擋風面積和各段長度按圖紙取值。

3)攀爬機自重與負載。根據登塔設備性能參數，登載設備荷載自重50 kg,額定負荷重量100 kg，總重150 kg。正常提升或下降速度為0.2 m/s,而防墜落制動速度為0.7 m/s，因此墜落制動產生的制動力最大。制動距離越小，荷載越大，最小制動距離為0.25 m,經計算最大制動荷載為2.5 kN，計算時將其掛在塔頂。掛點編號見圖3，掛點荷載見表1，可以看出不同高度處的等效附加荷載大小都不同，其中制動荷載最大。

表1 附加荷載表

3.4 計算結果分析

附加荷載引起各桿件軸力分布圖見圖4，其中壓為負，拉為正，可以看出塔安裝側主材受壓，另一側受拉，符合實際受力情況，壓軸力最大為62.6 kN, 拉軸力最大為46.3 kN。根據TTA計算結果，重點關注應力比超過80%的構件，利用ANSYS后處理技術，提取了相應桿件的軸力，并和TTA結果疊加，結果見表2。

表2 主要桿件的計算應力

桿件序號設計應力/MPa附加應力/MPa允許應力/MPa總應力/MPa應力比1-269.7-2.39307.7-272.090.882-259-3.08307.7-262.080.853-271.3-0.61310-271.910.884-250.7-0.14310-250.840.815-296.81.17310-295.630.956-267.41.61310-265.790.867-262.9-1.48310-264.380.858-296.81.79310-295.010.959210.8-0.2310210.60.6810-288.20.12310-288.080.9311-243.10.11274.7-242.990.8812-332-4.9364.2-336.90.9313-253.60.06310-253.540.8214-268.6-0.88310-269.480.8715-291.5-0.34310-291.840.9416-2533.06310-249.940.8117-249.62.22310-247.380.818-358.6-5.11380-363.710.9619-359.6-6.29380-365.890.9620-175.6-0.61215-176.210.8221-186.4-0.54215-186.940.8722-355.5-6.1371.3-361.60.9723-336.6-6.57371.3-343.170.9224-354.1-7.43371.3-361.530.9725-177.70.08215-177.620.8326-198.91.56215-197.340.9227-184.3-1.91215-186.210.8728-206.32.16215-204.140.9529-186.32.52215-183.780.8530-298.3-0.79310-299.090.9631-253.51.56310-251.940.8132-325.7-7.12380-332.820.8833-340.1-8.07380-348.170.9234-187.4-0.56215-187.960.8735-178.81.14215-177.660.8336-309.4-7.86380-317.260.8337-309.4-7.86380-317.260.8338-321.6-8.71379.7-330.310.8739-363.2-6.48379.7-369.680.9740-347-9.88379.7-356.880.94

從表2中可以看出:登塔設備引起的附加荷載對安裝側塔腿和變坡附近處主材的應力影響最大，應力最大增加2.6%，對斜材受力影響較小，原因是斜材普遍剛度較大，荷載直接傳遞到主材上，疊加后主材應力比最大為97%，未超過允許應力。

ZGU2(呼高52 m)采用同樣的分析方法得到:附加荷載對安裝側的主材應力影響最大，應力最大增加1.88%，其他橫隔材和斜材應力變化較小;疊加后主材應力比最大為96%，未超過允許應力。

4 應用效果

根據本文的分析結論，寧夏電力公司檢修公司已經于2013年在寧夏地區已建且帶電運行的750 kV和±660 kV輸電線路中的兩基鐵塔上安裝了登塔設備，目前該鐵塔運行良好，各項性能指標滿足鐵塔的設計要求，證明了本文的分析方法是有效可靠的。

5 結語

1)登塔設備引起的附加荷載對ZP2713(呼高78 m)和ZGU2(呼高52 m)的安全性能不構成威脅，可以進行安裝。

2)登塔設備引起的附加荷載主要對安裝側塔腿和變坡處主材的受力影響最大，對斜材和橫隔材的影響可忽略不計。

3)登塔裝置在帶電運行鐵塔上的順利安裝，說明了本文提出的分析方法是行之有效的，為登塔裝置的大范圍推廣應用提供了可靠的技術支撐及保證。

4)本文采用的分析方法同樣適用于對安裝其他復雜的附屬設施的鐵塔的安全評估分析。

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Abstract: The paper studies manned plethora device installed on the two basic steel towers in the power transmission line engineering, and evaluates the steel tower safety after installed plethora device by applying finite element software ANSYS. The analysis results show that: there is no impact upon steel tower safety by installing intelligent plethora device.

Key words: power transmission steel tower, plethora device, finite element analysis, safety evaluation

Application of finite element analysis method in safety evaluation of steel tower

Wang Chuqing

(NingxiaElectricPowerDesignInstitute,Yinchuan750000,China)

2016-03-15

汪楚清(1985- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2016)15-0044-03

TU473.1

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