一起鐵塔水平塔材變形問題的分析

王 磊，陳秋紅，余波明，許建清

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司淮安運維站，江蘇 淮安 223001）

0 引 言

近年來，經濟的快速增長帶動了電力行業的迅猛發展，對輸電鐵塔的需求也逐漸變多。但是，輸電鐵塔運行環境較為多樣，常常發生因通道環境惡劣而導致倒塔和塔材斷裂的事故，影響電網的安全輸送電和用戶的可靠用電。因此，對一起500 kV輸電鐵塔塔材變形事故通過ANSYS建模分析，力求從受力角度分析塔材變形的真實原因。

1 故障情況

該線路投運于1987年12月27日，線路全長223.895 0 km，共有547基塔。2017年10月，運維人員在對線路巡視過程中發現，鐵塔第一水平層4根水平材變形。該鐵塔為直線酒杯塔，桿塔參數如表1所示。由于前幾年市政建設，使得塔基處堆土較多，最下層塔材已被掩埋大半。為了防止基礎移位，AD腿側曾做了擋土墻進行保護，后由于道路改造，堆土情況好轉，但塔材變形彎曲依然存在。

表1 桿塔參數

2 鐵塔荷載分析

根據計算要求，桿塔承受的荷載一般分解為作用在鐵塔上的垂直荷載（垂直于地面方向）、橫向水平荷載（平行鐵塔坡平面即延橫擔方向）和縱向水平荷載（垂直鐵塔平面即垂直橫擔方向）。通過將鐵塔的荷載類型與現場事故鐵塔的實際情況相結合，可以發現變形鐵塔主要受到鐵塔及導、地線的自重載荷，順線路方向導、地線對鐵塔的拉力荷載，塔基處堆土對鐵塔塔腿所造成的壓力荷載的影響。下面將通過ANSYS建模分析，找出鐵塔第一水平材料變形的真實原因。

3 ANSYS建模分析

3.1 ANSYS簡介

ANSYS軟件是由美國ANSYS公司開發的一款有限元分析軟件。該軟件可分析機械結構系統受到外力負載時出現的反應，如應力、位移、溫度等，根據反應可知機械結構系統受到外力負載后的狀態，進而判斷是否符合設計要求[1-2]。應用ANSYS workbench進行結構分析的步驟，即建?！砑映叽鐓怠砑硬牧蠈傩浴W格劃分—添加載荷和約束—進行有限元分析[3]。

3.2 ANSYS建模和加載

3.2.1 輸電鐵塔的基本建模思想

在對鐵塔進行力學有限元分析時，分析結果的好壞主要取決于力學模型的建立。本次分析采用桁梁混合模型對輸電鐵塔進行建模。桁架混合模型具體是將鐵塔的主材、斜材和橫隔材作為梁單元，而將鐵塔的輔助材看作桿單元[4]。該方式建立的模型進行的受力分析與實際鐵塔的受力更吻合。

3.2.2 建模方法

本次分析采用的具體方法為：在ANSYS軟件上先利用點、線、面、體建立符合現場的輸電鐵塔的幾何模型，隨后進行網格劃分，建立該座鐵塔的有限元模型。

3.2.3 荷載施加

ANSYS建模后，需要對模型進行加載分析，這里對酒杯塔模型的荷載施主要分為兩個步驟。

第一步：根據現場實際情況，對模型施加相關約束。由于該492#鐵塔所處位置前幾年的市政建設，使得塔基處堆土較多，最下層塔材已被掩埋大半。為了防止基礎移位，AD腿側做了擋土墻進行保護，鐵塔塔腿部分塔材被擋土墻的混泥土固定，故在塔腿的部分塔材處施加固定約束。

第二步：經過觀察，分析AB側鐵塔的第一層水平塔材有明顯的變形，而AB塔腿為順線路方向，所以在進行載荷加載時需要考慮導、地線在順線路方面對鐵塔的力載荷，故在鐵塔塔頭部分施加水平方向力載荷和垂直方向的壓力荷載；慣性荷載中的重力荷載，在ANSYS中通過施加豎直向上的重力加速度達到施加重力場的目的；塔基處堆土對鐵塔塔腿的壓力載荷，通過對AB塔腿施加遠程載荷來模擬土堆對塔腿的影響。

3.3 仿真結果

3.3.1 導、地線拉力荷載仿真結果

圖1為對鐵塔塔頭部分加載導、地線順線路方向載荷仿真的計算結果。

3.3.2 重力荷載，遠程荷載加載仿真結果

對鐵塔塔頭加載導、地線水平方向力載荷和垂直向下壓力載荷，對鐵塔加載一個豎直向上的重力加速度，對鐵塔的AB塔腿加載一個遠程載荷，而AB鐵塔為遠程荷載的初始位置，以此模擬土堆對鐵塔塔腿所造成的壓力載荷影響，結果如圖2所示。

圖1 塔頭加載變形圖

圖2 重力荷載和遠程荷載加載變形圖

3.3.3 同荷載下不同荷載大小仿真結果

圖3和圖4鐵塔變形圖分別為在圖2基礎上對鐵塔塔頭加載導、地線水平方向力載荷和垂直向下壓力載荷，對鐵塔加載一個豎直向上的重力加速度，對鐵塔AB塔腿加載壓力載荷加大1倍、50倍的仿真結果。

圖3 荷載加大1倍

圖4 荷載加大50倍

4 結論分析

（1）通過圖1在鐵塔只受到導、地線拉力荷載的仿真結果下，可以分析出鐵塔導、地線的順線路方向的拉力載荷主要作用于鐵塔塔頭部分，而塔身和塔腿的部分基本不受影響。

（2）圖2為鐵塔受到導、地線水平方向拉力載荷和垂直向下壓力載荷，一個豎直向上的重力加速度以及鐵塔AB塔腿受到的遠程荷載下的仿真結果，可以看出鐵塔AB塔腿的水平材料發生了嚴重變形，而通過對比圖1的分析可以得出，引起其變形的主要原因是塔基處土堆對鐵塔塔腿部分的擠壓所造成。

（3）圖3和圖4通過將鐵塔塔基處加載加大1倍和50倍可以看出，鐵塔的變形程度逐步增大，甚至會導致結構失準，鐵塔倒塌。實際工程中，AD腿側做了擋土墻進行保護，但塔材變形彎曲依然存在，經過這幾年的運行觀測，未發現變形有擴大趨勢。但是，鐵塔在自然界中受到風、覆冰等載荷影響，若達到鐵塔水平材承受極限，可能會影響整個鐵塔的穩定性，使變形更嚴重甚至發生鐵塔倒塌。因此，建議選擇合理可靠的方案更換已變形塔材，消除隱患，確保線路的安全運行。