一起ZS型鐵塔倒伏案例分析

張建國,張廼龍,李成鋼

(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

近年來，輸電線路遭受強風影響的問題受到廣泛關注，在強風作用下倒塔的事故在沿海地區時有發生[1-2]，強風雷暴對中國輸電線路的危害呈現出頻次增加、程度增大趨勢[3]。目前輸電鐵塔的可靠性一方面是靠合理的設計、正確的施工來保障，另一方面則是靠投入應用后的維護，合理的維護、強風預警[4]對輸電鐵塔的耐用性、安全性有著重要影響。

2016年8月，東南某地區局部遭遇強風雷暴襲擊，致使某110kV線路#25、#26、#27三基直線塔倒伏。該線路于2002年5月14日投入運行，線路長度7.439km，導線為LGJ-240/30，地線為GJ-50，#25、#26為ZS-36直線塔，#27為ZS-40直線鐵，#24～#25實際檔距為287m，#25～#26實際檔距為233m，#26～#27實際檔距為179m，#22～#28塔為同一個耐張段。

本文調研倒塔現場、分析氣象監測數據，通過計算得到現場最大風速為29m/s，超過鐵塔設計風速；對鐵塔彎折部位桿件尺寸、材質及力學性能進行實驗室檢測分析，其結果滿足鐵塔設計相關規范要求；校核了鐵塔彎折處主材在設計風速下的受力，該處為鐵塔抗強風的薄弱環節。通過上述分析明確了造成此次倒塔故障的主要原因，為分析同類故障提供了參考，并提出了降低此類故障發生風險的合理化建議。

1 現場檢查

現場檢查發現，故障線路#25、#26、#27三基鐵塔折倒。周圍多處工棚、彩鋼瓦被風吹起、倒塌。檢查發現#25～#27鐵塔均在下橫擔下側第三段發生彎折，如圖1，2所示。

圖1 #25塔倒塔現場照片

圖2 #27塔倒塔現場照片

鐵塔總高、彎折高度及材質分析現場取樣情況見表1。

表1 鐵塔高、彎折高度及取樣情況

2 氣象數據分析

故障地區氣象站測得20.3m/s的大風，風向為南到東南風，自動站極大風速達26.2m/s，風向為偏東風，故障區域臨近自動站極大風速達28.1m/s，風向為南到西南風。圖3～4為14:48:13和14:54:02的雷達回波圖。根據雷達回波推算，在倒塔發生地的20m高度處，極大風速可達29m/s。

圖3 14:48:13氣象雷達圖

圖4 14:54:02氣象雷達圖

3 鐵塔桿件試驗分析

對#25～#27塔彎折部位附近取角鋼主材樣品，在實驗室里對角鋼尺寸、材質化學成分、力學性能進行檢測試驗，判斷塔材的尺寸和性能是否符合標準和設計要求。樣品情況如圖5所示。

圖5 試驗分析桿件

3.1 塔材尺寸測量

現場取回的塔材(角鋼)尺寸符合GB/T 706—2008《熱軋型鋼》標準要求，也與設計尺寸相符，結果見表2。

表2 試樣尺寸測量結果 mm

3.2 材質分析

對塔材樣品采用直讀光譜分析儀進行化學成分檢測，結果顯示，#25、#27試樣的主要元素含量均符合GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》標準要求(設計圖紙材質為16Mn，現替代牌號為Q345)，#26試樣的主要元素含量均符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》標準要求(設計圖紙材質為A3F，現替代牌號為Q235)，見表3。

表3 材質成分分析結果 %

3.3 力學性能試驗

將鐵塔樣品加工成標準樣后進行拉伸力學性能試驗，各試樣的性能指標均符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》及GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》標準要求，見表4。

表4 材料拉伸性能檢測結果

4 鐵塔強度校核

本文對呼高36m的鐵塔開展風災害下的受力校核，校核計算條件：地線為GJ-50，導線為LGJ-240/30，垂直檔距LV=300m，水平檔距LH=350m，風速V=25m/s。校核規程：2002年工程按SDGJ94-1990規程[5]計算。

4.1 導地線荷載計算

導地線風荷載WX計算公式如下：

WX=K2·α·C·d·Lp·V2/1 600·sin2θ

式中：K2為風壓調整系數，取1.426 7；α為風壓不均勻檔距折減系數，取0.85；C為體型系數，與線徑相關，地線取1.2，導線取1.1；d為導地線直徑；Lp為水平檔距；θ為風向角，取90°。

由計算可得，地線風荷載Wt=1.535kN；導線風荷載Wm=3.377kN；地線自重Gt=120kg；導線自重Gm=277kg。

4.2 鐵塔風荷載計算

塔身風荷載WS計算公式如下：

WS=KZ·KT·C·F·V2/1 600

式中：KZ為風壓高度變化系數，塔段高度為40～50m時取1.46，塔段高度為30～40m時取1.37，塔段高度為0～30m時取1.25；C=1.4×(1+η)，其中η為塔架背風面風荷載降低系數，對塔頭部分η=0.66，對塔身部分η=0.85；KT為風壓高度調整系數；F為擋風面積。

根據塔身風壓分段情況、鐵塔填充系數及擋風面積即可求得鐵塔風荷載。

4.3 主材強度校核

根據靜定平面桁架內力分析法，可得鐵塔主材內力U計算公式為

式中：G為包含自重在內的豎向荷載；W為包含風荷載在內的橫向荷載；h為橫向荷載力臂。

塔腿主材內力U40：

主材為16Mn，材料允許應力為230MPa，規格為100mm×10mm，桿件截面積A=19.24cm2，回轉半徑γg=1.96mm，計算長度l0=105，長細比λ=53.57，根據回轉半徑及長細比查SDGJ94—1990規程可得穩定系數φ=0.816，N為桿件軸向壓力。

主材應力σ：

由此可知，塔腿主材應力σ占材料允許應力的56%。

塔段7主材內力U7：

塔段7主材為16Mn，規格75mm×5mm，桿件截面積A=7.385cm2，回轉半徑γx=2.31，計算長度l0=150，長細比λ=65，查SDGJ94—1990規程可得穩定系數φ=0.745。

主材應力：

由此可知，塔段7主材應力σ為材料允許應力的96%。

綜上所述，通過對ZS-36型鐵塔進行風災害強度校核可知，發生彎折的塔段7在設計風速下的應力為材料許用應力的96%，安全裕度最小，抗強風能力最弱。

5 結論和建議

本文通過現場檢查、氣象數據分析、實驗室分析及受力校核計算等方面確定了倒塔的主要原因，得到如下結論：

1)鐵塔折彎部位的角鋼尺寸、材質化學成分和力學性能均符合標準和設計圖紙要求。

2)氣象監測數據推算表明，現場出現的最大風速為29m/s，超出鐵塔的設計風速，是導致倒塔的主要原因。

3)經強度校核，在設計風速下，發生彎折的塔段7主材應力值為材料許用應力的96%，抗強風能力最弱，因此在該部位發生折彎。

因此，建議對危險度較大的跨越線路進行校驗，包括耐張段設置、桿塔抗風能力驗算，對不滿足現行設計和運行規范的跨越線路進行改造或加固。加強極端災害天氣的預警，提前做好應急搶險準備，降低電網事故的影響范圍。