輸電線路桿塔受力分析研究現狀

王身麗　嚴利雄　陳典麗　劉曉華　付裕　王志高　胡海　覃喬　石青松

摘 要：我國電網的快速發展和電壓等級的不斷提高，對輸電桿塔的承載力和穩定性要求越來越高。通過對輸電桿塔的受力研究，可以更好地分析了解桿塔的整體受力情況，避免不必要的事故發生。目前，通過ANSYS進行有限元分析，分析其靜力特性，能夠比較準確地得出各種情況下的塔體受力情況，為鐵塔設計、風險預防提供了可靠依據。

關鍵詞：輸電桿塔；有限元分析；靜力特性

中圖分類號：TM753 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0071-02

Abstract： With the rapid development of the power grid and the continuous improvement of the voltage level in our country， the demand for the bearing capacity and stability of the transmission tower is getting higher and higher. Through the study of the force on the transmission tower， we can better analyze and understand the overall force of the tower， and avoid unnecessary accidents. At present， the finite element analysisof its static characteristics through ANSYS can be more accurate in a variety of circumstances of the tower force situation， thus proving a reliable basisfor the tower design and risk prevention.

Keywords： transmission tower； finite element analysis； static characteristics

1 概述

隨著我國經濟迅速的發展，人們對電能的使用情況也越來越大，對用電能質量也越來越高。但由于我國的地域跨度大，能源分布不均，所以在整個輸電線建設方面要求極高。

輸電桿塔是輸電線路中的一個重要部分，它主要用來支撐線路或防止線路與其他導體接觸產生接地故障，保證在輸電環節中能夠把電能安全、可靠的運輸給各個用戶。近年來，由于“西電東送、南北互動”發展戰略實施，形成了我國輸電線路跨度大的特點，有時線路經過地勢險峻的山川、氣候條件惡劣的時候，輕則會導致桿塔變得彎曲，嚴重的話會引起斷線甚至倒塔。當桿塔受到一定的外力作用情況下，可能會發生相應的形變，但這種形變是難以觀測的，所以就需要通過一些應力設備對其變形情況進行測量，以獲取相應的數據來確定桿塔的受力情況。

2 輸電桿塔受力分析及研究現狀

八十年代中期，隨著國內第一代輸電鐵塔應力計算軟件研發成功，使我國在輸電鐵塔分析方面進入一個新的時代。此計算軟件只需要輸入相應的節點和桿的必要信息，就可以進行設計和計算，極大地提高工作效率。

現如今，國內外對輸電桿塔受力分析所采用的主要方法是有限元分析法（效果如下圖所示）分析其應力特性。

2010年中國電力科學研究院與西安建筑科技大學合作，采用有限元分析方法對銹蝕的鋼結構輸電桿塔進行分析。它通過現場對廣西220kV輸電塔進行試驗，并收集塔的自然腐蝕數據，結合輸電塔機構數據，利用電力建設研究院自主研發的道亨轉換ANSYS命令流建立輸電塔的有限元模型。根據《架空輸電線路桿塔結構設計技術》相關規定，考慮在0°，45°、90°大風（風速30m/s），覆冰荷載（風速10m/s）以及斷線荷載（風速10m/s）組合情況下，利用ANSYS軟件分析功能，得出并整理破壞桿件情況，然后通過靜力分析輸電塔的某些部件，發現有些橫擔腐蝕的比較嚴重，它的可靠性不再符合國家規定的標準，嚴重影響了輸電塔的正常使用，因此需要對某些必要的材料進行更換。

此外，他們還對銹蝕構件破壞原因進行分析，通過比較銹蝕前幾何性質和銹蝕后的數據，發現當鋼銹蝕2.2mm后，彈性彎扭屈曲荷載下降了百分之四十，得出截面損失造成構件彎扭屈曲荷載下降是使輸電桿塔銹蝕后構件承載力降低的主要原因。

中國電力科學研究院針對2013年陜北地區的某330kV輸電線路倒塔事故進行靜力分析，線路設計風速為30m/s（15m基準高），分析時按90°、60°、45°三個風向角計算風荷載，全塔采用統一的風振系數，然后對不同編號的進行分析計算，結果發現按設計風速和實際檔距計算鐵塔的受力時，45°大風時，各種編號的鐵塔未出現應力超限情況，若按實測最大風速和實際檔距計算，各個編號的塔受力情況不相同，除了編號為35的塔外，其他剩余的塔都承受巨大的風載，然后進一步對塔線模型進行動力學分析，結果發現實際最大風速達到34.2m/s，超過設計風速21%時會造成鐵塔發生倒塌事故。

北京電力建設設計研究院計算分析了我國第一基1000kV交流特高壓輸電線路實試塔ZM2，對此塔進行線性與幾何非線性靜力分析與動力特性分析。采用的模型是梁-桿混合有限元模型，控制工況為60°大風，通過有限元分析，并結合真型塔實驗，驗證了此塔的設計是合理的，并進行模擬結構荷載行為分析，得出試驗塔結構性能良好，滿足設計要求，最后分析發現ZM2鐵塔的塔身瓶口是其薄弱點，應該加強這一部分的設計分析。

在青海省電網設計院，利用ANSYS有限元分析軟件分析輸電桿塔鋼架模型和桁梁混合模型靜態強度及其穩定性，并且利用ANSYS軟件同時對模型在各種工況下的靜態強度和特征值屈曲分析。分析表明，剛架模型最大綜合位移、最大綜合應力的變化情況與桁梁混合模型基本相同，而且都發生在大風（90°）工況下。

文獻[1]研究在覆冰荷載作用下，輸電桿塔的失效模式及其體系可靠度。它通過以覆冰厚度為控制量，獲取輸電桿塔的失效模式和覆冰厚度，然后通過數值計算不平衡張力，使得輸電桿塔的極限覆冰厚度接近其設計覆冰厚度，通過隨機有限元方法獲取失效模式上各個單元的極限狀態方程，然后逐步等效線性獲得失效模式的極限狀態方程。在文獻[2]中，研究了順風荷載和側風風荷載共同作用下輸電桿塔塔的主要失效模式及其基本風壓，通過建立空間桁架有限元模型，模擬施加順風和橫風荷載，獲得輸電桿塔失效模式，并用數值算例比較橫風荷載對輸電桿塔的主要失效模式及其基本風壓影響。文獻[3]利用ANSYS對220kV雙回路緊湊型轉角塔建立梁桁混合模型，按真型試驗方案進行加載并求解靜力，然后仿真出的結果與實際中得到的鐵塔構件位移值和應力結果對比，判斷所見模型是否可靠。文獻[4]利用ANSYS建立1000kV特高壓輸電桿塔有限元模型，對采礦區桿塔發生沉降、位移、傾斜后，分析其桿件內力變化，確定不同工況下的基礎變形值。結果表明，在90°、60°大風、10mm覆冰工況下，60°大風情況下1000kV輸電桿塔的基礎沉降、位移、傾斜值最小。

3 研究目前存在的問題

我國的特高壓輸電線路的不斷建設與完善，標志著我國輸電技術發展又一次重大的飛躍，輸電線路的安全運行直接關系到整個電網的安全，輸電桿塔是高壓和特高壓線路的重要支撐物，一旦其結構遭到破壞，將會引起災難性事故。因此，對輸電桿塔受力分析及其重要。

通過本文對輸電桿塔受力分析研究現狀分析，可歸納為以下四點：

（1）風荷載，冰荷載和其它突發性荷載是危機輸電線路安全的主要因素，應引起設計人員的廣泛關注。然而，由于近年來極端天氣的頻繁發生，輸電桿塔上各部件會遭到不同程度的破壞，危及到整個桿塔的安全。如何在不過度增加塔架重量的基礎上，在常規負荷設計的基礎上改善某些極端條件下的施工條件，將是未來輸電桿塔設計的必然趨勢。

（2）現研究階段，桿塔分析多采用空間桁架系統模型和靜態計算方法，并且可靠性理論已反映在設計規范中。但是，實際中桿塔始終處于受力狀態。對此，如何更加有效、合理地考慮桿塔部件的動力特性和動力效應對桿塔的正常服役是輸電線路研究的重要方向。

（3）目前線性和非線性動態有限元分析方法也是比較常見的分析方法，成為驗證輸電線路整體安全性的有效方法。

（4）雖然在服役之前，通過電和非電測試驗證被認為是反映輸電塔和線路系統機械特性的更準確經濟的方法，但真實的測試價格太昂貴，需要開發簡化的模型相似理論。測試驗證方法不能廣泛應用。

4 結束語

目前，國內外分析輸電塔受力情況大多采用的ANSYS有限元分析，實際中通過理論研究，發現與ANSYS分析情況結果一致，說明運用有限元計算能夠比較準確地反映出塔體的受力特征和受力情況，從而為塔的檢修、維護提供了比較可靠的依據。

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