輸電鋼管桿加掛通信天線后結(jié)構(gòu)安全裕度評(píng)價(jià)

陳旸羚李維吳桐

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京210019；2.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京210019)

0 引言

隨著國(guó)家大力提倡移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，加快了移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，特別是5G 時(shí)代的到來(lái)，通信基站的需求量將成倍增加[1]。同時(shí)，電力無(wú)線專網(wǎng)也得到了加速發(fā)展[2]，2018年國(guó)家電網(wǎng)公司工作會(huì)議提出“擴(kuò)大電力無(wú)線專網(wǎng)試點(diǎn)及業(yè)務(wù)應(yīng)用”的工作要求，無(wú)線專網(wǎng)建設(shè)發(fā)展成為國(guó)網(wǎng)戰(zhàn)略。江蘇公司作為首批試點(diǎn)單位，2018年已新增基站270 座，接入終端約有4萬(wàn)個(gè)，總投資約為23 250萬(wàn)元。

為了響應(yīng)國(guó)家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念[3]，結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司的桿塔資源，利用現(xiàn)有輸電桿塔加掛通信天線，不僅可以快速實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，降低建站成本，而且能同時(shí)滿足無(wú)線專網(wǎng)的建設(shè)要求[4]。英國(guó)運(yùn)營(yíng)商EE、Vodafone 和Orange均已在電力塔上掛載設(shè)備，日本移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商樂天移動(dòng)通信宣布與電力公司深度合作，提高資本投資效率。云南鐵塔和南方電網(wǎng)云南分公司合作完成了國(guó)內(nèi)首座110 kV高壓電力鐵塔加掛通信基站。2018年，電力國(guó)網(wǎng)多個(gè)省公司與當(dāng)?shù)厥¤F塔公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，合作推廣輸電線路鐵塔附掛通信基站應(yīng)用工作。

輸電桿塔的結(jié)構(gòu)安全是決定能否加掛通信天線的先決條件，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)現(xiàn)有輸電桿塔進(jìn)行加載分析，是判斷桿塔安全性的有效手段。龔靖等[5]利用有限元軟件ANSYS對(duì)220 kV雙回路緊湊型轉(zhuǎn)角塔建立梁—桁混合模型，按真型試驗(yàn)方案進(jìn)行加載并求解靜力，仿真出的結(jié)果與實(shí)際中得到的鐵塔構(gòu)件位移值和應(yīng)力結(jié)果對(duì)比，判斷所建模型是否可靠。楊風(fēng)利等[6]利用軟件ANSYS建立1 000 kV特高壓輸電桿塔有限元模型，對(duì)采礦區(qū)桿塔發(fā)生沉降、位移、傾斜后，分析其桿件內(nèi)力變化，確定不同工況下的基礎(chǔ)變形值。韓楓[7]對(duì)特高壓輸電桿塔體系建模，分析其抗風(fēng)可靠度。王飛等[8]利用道亨有限元軟件對(duì)酒杯型鐵塔進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析，發(fā)現(xiàn)特高壓酒杯型鐵塔建立在8度以上地區(qū)時(shí)，需要進(jìn)行抗震驗(yàn)算，對(duì)于不滿足抗震要求的桿件，需要進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)。王身麗等[9]通過(guò)軟件ANSYS針對(duì)輸電線路桿塔的靜力特性進(jìn)行了有限元分析，比較準(zhǔn)確地得出了各種情況下的塔體受力情況，為鐵塔設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防提供了可靠依據(jù)。張宏杰等[10]通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)行進(jìn)過(guò)程中風(fēng)場(chǎng)變化，分析了桿塔受力隨臺(tái)風(fēng)遷徙的變化規(guī)律，并且給出了桿塔抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)預(yù)留的安全裕度。

因此，評(píng)價(jià)輸電桿塔加掛通信天線后的結(jié)構(gòu)安全裕度有著至關(guān)重要的意義。但若對(duì)每一基桿塔單獨(dú)建模驗(yàn)算加掛可行性，則耗時(shí)費(fèi)力。文章利用輸電桿塔結(jié)構(gòu)安全裕度的概念，有限元建模了單條輸電線路中具有特征性的輸電桿塔，分析其加掛通信天線前后的桿塔結(jié)構(gòu)受力特性及安全裕度變化。采用有限元建模對(duì)比分析結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制安全評(píng)定曲線，可為通信天線快速上量提供理論基礎(chǔ)，大幅減少?gòu)?fù)核工作量。

1 輸電鋼管桿加掛通信天線荷載計(jì)算

1.1 輸電桿塔塔型選擇

目前，輸電桿塔作為國(guó)網(wǎng)公司的電力基礎(chǔ)設(shè)施，形式多種多樣，按主材類型可分為角鋼塔、鋼管塔、鋼管桿和水泥桿；按電壓等級(jí)可分為10、35、66、110、220、500、750 kV等；按電流類型分為交流傳輸和直流傳輸；按桿塔線路位置分為直線塔、轉(zhuǎn)角塔、終端塔。

(1)考慮通信覆蓋區(qū)域主要集中在城區(qū)，而城區(qū)的輸電桿塔主要以鋼管桿及水泥桿為主。(2)為了保證天線基本掛高，考慮電磁干擾、電力安全距離等影響，優(yōu)先使用高電壓等級(jí)、高呼高的鋼管桿。因此，優(yōu)先考慮市區(qū)內(nèi)110、220 kV的鋼管桿資源[11]。

文章選取江蘇省網(wǎng)2E2模塊鋼管桿。2E2模塊為海拔＜1 000 m、設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為28 m/s、導(dǎo)線為2×LGJ-400/35的雙回路鋼管桿。2E2模塊的直線桿為3桿系列、耐張桿為4桿系列、終端兼分支桿1種，共計(jì)8種桿型。文章選取常見的直線桿1種、耐張桿4 種、終端桿1種進(jìn)行分析。

2E2模塊的氣象條件見表1。2E2 模塊的導(dǎo)地線型號(hào)及參數(shù)見表2。

模塊中包含不同呼高、不同水平檔距、不同垂直檔距的各類塔型，選取最大檔距和呼高的6種鐵塔進(jìn)行分析，如圖1所示。

表1 2E2 模塊的氣象條件表

表2 2E2模塊的導(dǎo)、地線型號(hào)及參數(shù)表

圖1 2E2 模塊6 種塔型圖/mm

1.2 輸電桿塔荷載計(jì)算

鋼管桿承受的荷載一般分解為橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載3種。直線輸電桿塔，耐張、轉(zhuǎn)角型桿塔應(yīng)計(jì)算正常運(yùn)行、斷線和安裝情況下的荷載組合，必要時(shí)應(yīng)驗(yàn)算重冰區(qū)不均勻覆冰等特殊情況。其中，主要荷載為橫向荷載和縱向荷載。風(fēng)荷載又是構(gòu)成橫向荷載和縱向荷載的重要組成部分。

1.2.1 線路荷載

計(jì)算時(shí)參考DLT 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[12]和DLT 5130—2001《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[13]等相關(guān)規(guī)定。

導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式由式(1)和(2)表示為

式中：Wx為垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，查表取值；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μSC為導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；d為導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑，分裂導(dǎo)線取所有子導(dǎo)線外徑的總和，m；LP為桿的水平檔距，m；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角，°；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；V為基準(zhǔn)高度的風(fēng)速，m/s。

1.2.2 桿身風(fēng)荷載

桿身風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算由式(3)表示為

式中：Ws為作用在桿身單位長(zhǎng)度上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；βz為桿身風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；D為桿身直徑的平均值，m。

1.2.3 絕緣子串風(fēng)荷載

絕緣子串風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算由式(4)表示為

式中：W1為絕緣子串風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A1為絕緣子串承受風(fēng)壓面積計(jì)算值，m2。

1.2.4 通信天線荷載

對(duì)于加掛的通信天線，連接方式是由抱桿及雙抱箍固定于塔身上，雙抱箍與塔身接觸點(diǎn)間間距較小，一般為0.5～1 m，因此作用在塔身上的通信天線荷載可簡(jiǎn)化為集中荷載。移動(dòng)通信工程中風(fēng)荷載重現(xiàn)期為50 年[14]，而＜500 kV輸電桿塔風(fēng)荷載重現(xiàn)期為30 年。為了保持計(jì)算角度一致性，將通信風(fēng)荷載重現(xiàn)期轉(zhuǎn)化為30年重現(xiàn)期風(fēng)荷載。由于兩者設(shè)計(jì)使用年限存在差距，若輸電桿塔已達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，可進(jìn)行全塔檢測(cè)，安全評(píng)估后可延長(zhǎng)其使用年限。

通信天線風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算由式(5)表示為

式中：Wk為天線及抱桿支臂風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；W30為30 年重現(xiàn)周期基本風(fēng)壓，kN/m2。

GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[15]中第n年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓Wn由式(6)表示為式中：W10及W100分別為10、100 年重現(xiàn)周期基本風(fēng)壓，kN/m2；R為重現(xiàn)周期，年。

將R＝30代入式(6)，可得到30年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值W30。

1.3 2E2模塊桿塔荷載計(jì)算

利用道亨滿應(yīng)力設(shè)計(jì)軟件，以2E2-SZG1-42桿為例，輸入桿塔水平檔距、垂直檔距、氣象資料等信息，軟件自動(dòng)生成桿身荷載，輸入不同工況下的節(jié)點(diǎn)荷載，見表3。

表3 直線塔2E2-SZG1-42荷載表/N

根據(jù)表3可知，導(dǎo)地線的安裝正吊相工況為最大垂直荷載，導(dǎo)地線的風(fēng)荷載大風(fēng)90°工況為最大水平風(fēng)荷載。其他5種桿塔的荷載情況與本直線塔一致，安裝正吊相工況為最大垂直荷載。

2 2E2模塊鋼管桿有限元分析

2.1 桿塔有限元軟件建模

利用道亨滿應(yīng)力設(shè)計(jì)軟件，對(duì)江蘇省省網(wǎng)鋼管桿2E2 模塊進(jìn)行三維有限元建模，采用“積木式”塔型快速輸入模塊建模[16]。

2.2 桿塔應(yīng)力計(jì)算分析

DL 5009.2—2013《電力建設(shè)安全工作規(guī)程 第2部分：電力線路》[17]規(guī)定作業(yè)人員或機(jī)械器具與帶電線路風(fēng)險(xiǎn)控制距離要≥8 m，故將呼高下8 m作為天線加掛點(diǎn)。

將加載類型按照通信天線數(shù)量和掛載高度分為6類，見表4。

表4 天線掛載類型表

分別對(duì)6種塔型進(jìn)行有限元建模計(jì)算，得到其桿件應(yīng)力數(shù)據(jù)。通信天線加掛工況依次采用表4中加掛順序得到各天線加載工況下桿塔的桿段應(yīng)力包絡(luò)曲線。

以直線塔SZG1-42為例，在最大控制工況下各桿段包絡(luò)應(yīng)力表現(xiàn)如圖2 所示。桿段編號(hào)1 ～5分別對(duì)應(yīng)塔身主桿第1到第5段。在A加載工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在桿段4，其值為262.19 MPa。隨著加載荷載工況不斷增大，最大應(yīng)力桿段不斷下移。在F加載工況下，最大應(yīng)力桿件已經(jīng)變?yōu)榈?段，最大應(yīng)力值為293.429 MPa，已接近材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa。相比于A 工況，其值增加了31.2 MPa，占比11.9%，變化較為明顯。由于通信荷載加載點(diǎn)位均在4、5桿件以下，對(duì)2 桿件不產(chǎn)生附加彎矩和軸力，因此，4、5桿件在所有工況下的應(yīng)力數(shù)值基本一致。編號(hào)6 ～13桿段為塔身橫擔(dān)，在最大控制工況(斷線)下普遍較小，均≤200 MPa。

以耐張轉(zhuǎn)角塔SJG1-36為例，在最大控制工況下各桿件應(yīng)力表現(xiàn)如圖3所示。在A加載工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在桿段3，其值為234.74 MPa。隨著加載荷載工況不斷增大，桿段1的應(yīng)力逐漸增大至與桿段3一致，在F 加載工況下，最大應(yīng)力桿件已經(jīng)變?yōu)榈?、3段，應(yīng)力值分別為244.882、244.902 MPa，2 桿件應(yīng)力值為240.557 MPa。4、5桿件在新增通信荷載之上，不產(chǎn)生附加彎矩和軸力，在所有工況下的應(yīng)力值基本一致。編號(hào)6 ～13桿段為塔身橫擔(dān)，在最大控制工況(斷線)下普遍較小，均≤125 MPa。轉(zhuǎn)角塔SJG2-36、SJG3-36、SJG4-36 的桿件應(yīng)力分布特性基本與SJG1-36一致，F(xiàn) 加載工況下各桿件的應(yīng)力數(shù)據(jù)見表5。

圖2 直線塔SZG1-42最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖

圖3 轉(zhuǎn)角塔SJG1-36最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖

表5 F加載工況下各桿件最大包絡(luò)應(yīng)力表/MPa

以耐張終端塔SDJG-36 為例，在最大控制工況下各桿件應(yīng)力表現(xiàn)如圖4 所示。

在A加載工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在桿段3，其值為189.567 MPa。各工況加載條件下，桿件應(yīng)力增加不明顯。在F加載工況下，3桿件位置出現(xiàn)應(yīng)力極大值，達(dá)到194.682 MPa。相對(duì)于A工況，桿段最大應(yīng)力值只增加了5 MPa，占比3%。4、5桿件同樣表現(xiàn)基本一致。編號(hào)6～13桿段為塔身橫擔(dān)，在最大控制工況(單側(cè)架線)下普遍較小，均≤130 MPa。

綜合6種鐵塔分析結(jié)果，得到其最大桿件包絡(luò)綜合應(yīng)力比數(shù)據(jù)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)直線塔加掛天線后桿段最大綜合應(yīng)力提升較為明顯，耐張塔其次，終端塔幾乎無(wú)變化。這是由于耐張塔及終端塔本身線路荷載較大，后期新增天線荷載占原有荷載比例很小，對(duì)桿件應(yīng)力貢獻(xiàn)值小，具體結(jié)果如圖5所示。

圖4 終端塔SDJG-36最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖

圖5 6種鋼管桿最大應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果圖

2.3 桿塔撓度計(jì)算分析

桿塔最大位移隨著新增荷載的增加而變大，變化情況如圖6所示。隨著加載工況不斷變化，新增荷載不斷增大，直線塔最大撓度比變化明顯，由A工況的2.756‰增加到F工況的3.816‰，增大了38.5%；耐張型轉(zhuǎn)角桿塔分別增大了0.318‰、0.318‰、0.318‰、0.212‰；端部耐張塔僅增大0.106‰，變化率不足1%。直線塔總體撓度較小，其限值亦較低；耐張型轉(zhuǎn)角塔或終端塔撓度大，但其撓度限值是直線塔限值的4倍。所有桿塔在所有工況條件下，其最大撓度比均滿足規(guī)范要求。

圖6 6 種鋼管桿最大撓度計(jì)算結(jié)果圖

3 輸電鋼管桿結(jié)構(gòu)安全裕度評(píng)價(jià)

3.1 結(jié)構(gòu)安全裕度

我國(guó)電力桿塔設(shè)計(jì)均采用彈性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保留一定的安全余量，以抵抗突發(fā)的荷載效應(yīng)，如爆炸、臺(tái)風(fēng)、大面積冰雨等。為確保結(jié)構(gòu)有一定的安全余量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，人為地增加安全裕度的概念[18]，即構(gòu)件應(yīng)力比的余量或結(jié)構(gòu)位移比限值的余量，其計(jì)算由式(7)表示為

式中：δa 為結(jié)構(gòu)安全裕度；Lmt為結(jié)構(gòu)規(guī)定限值；S為構(gòu)件的最大效應(yīng)；R為構(gòu)件的容許抗力。

由于現(xiàn)存運(yùn)行鋼管桿種類繁多，若對(duì)每一基鐵塔進(jìn)行單獨(dú)的結(jié)構(gòu)安全性校核，費(fèi)時(shí)耗力。文章提出針對(duì)單條輸電線路上典型的鋼管桿做結(jié)構(gòu)安全裕度分析，對(duì)比加載通信天線前后鋼管桿的安全裕度變化值，繪制不同加掛模式下的安全裕度變化曲線，能夠給實(shí)際工程提供多種加掛方案選擇。

3.2 桿塔安全裕度分析及安全評(píng)價(jià)

為了確保鋼管桿在加掛通信天線后能夠滿足安全運(yùn)行要求，認(rèn)定其構(gòu)件最大應(yīng)力比限值Lmt＝0.95，繪制不同加載條件下的應(yīng)力安全裕度曲線如圖7(a)所示。同時(shí)，認(rèn)定結(jié)構(gòu)最大撓度限值對(duì)于直線塔取Lmt＝5‰，耐張塔取Lmt＝20‰，繪制不同加載條件下的撓度安全裕度曲線[19]如圖7(b)所示。

由圖7(a)可知，3種塔型的初始應(yīng)力安全裕度為終端塔＞30%、轉(zhuǎn)角塔＞15%、直線塔僅為10%。由圖7(b)可知，3種塔型的初始撓度安全裕度為終端塔約為12‰、轉(zhuǎn)角塔＞9‰、直線塔僅為2.25‰。3類塔型的初始設(shè)計(jì)安全裕度有明顯的區(qū)分，即終端塔作為整條輸電線路終端，初始線路荷載大，自身安全裕度明顯大于其他兩類桿塔；直線塔作為線路中占比最多的類型，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，初始安全裕度最低；4 種轉(zhuǎn)角塔初始安全裕度介于兩種塔型之間。

在E、F 工況加載條件下，直線塔的應(yīng)力安全裕度已經(jīng)下降到安全紅線下，已不符合結(jié)構(gòu)安全要求。其余塔型在5種通信天線加掛形式下應(yīng)力及撓度安全裕度均大于規(guī)范要求。

圖7 輸電桿塔安全裕度曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究得到如下結(jié)論：

(1)220 kV江蘇省省網(wǎng)輸電鋼管桿2E2 模塊經(jīng)有限元建模分析具有加掛移動(dòng)通信天線可行性。其中直線塔2E2-SZG1-42 最多可以在呼高下8 m加掛6付通信天線；耐張型轉(zhuǎn)角塔及終端塔可以在呼高下8 m及呼高下11 m各加掛6 付通信天線，且還有一定的安全裕度。

(2)江蘇省省網(wǎng)輸電鋼管桿2E2 模塊中初始安全裕度由高到低依次為終端塔、轉(zhuǎn)角塔、直線塔，是由輸電桿塔重要性、經(jīng)濟(jì)性多重因素決定的。因此，在考慮桿塔加掛移動(dòng)通信天線時(shí)，可以優(yōu)先選擇線路終端塔或轉(zhuǎn)角塔作為掛載鐵塔。