強風作用下高壓輸電塔破壞分析

宋子良 南陽 張世杰

摘 要：高壓輸電塔是在強風荷載作用下的倒塔情況，是影響輸電線路安全運行的重要因素之一。選用浙江溫州某輸電線路中的一座35 kV輸電塔，建立有限元模型，在風速為40 m/s下，施加90°風向角時風荷載，并分析塔身內部位移、應力變化。

關鍵詞：輸電塔;有限元;靜力響應

0 引言

高壓輸電塔是電力系統中重要的組成部分，而風荷載對輸電塔的影響是引起倒塔事故的重要原因之一[1]。近年來，輸電塔在強風天氣下頻繁出現風災事故。本文參考某輸電塔220 kV電線路中，利用ABAQUS有限元軟件，建立輸電塔有限元模型，對塔身施加風速為40 m/s，風向角為90°時的風荷載。

1 ? 輸電塔有限元模型的建立

塔高46.95 m，呼高40 m。如圖1所示，鐵塔由單角鋼用螺栓偏心連接而成，角鋼截面為“L”型，鐵塔輔材采用Q235鋼，主材采用Q345鋼，采用23種不同截面規格角鋼，角鋼材料參數如表1所示。在有限元模擬軟件ABAQUS中，將鐵塔模型建立完成。

2風場模擬

風荷載計算采用《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）中規定的方法[2-3]，如下式：

式中：ωK為桿塔塔身或橫擔風荷載的標準值（KN）;βZ為z高度處的風振系數，取1.67;μS為風荷載體型系數，取2.6;μZ為風壓高度變化系數，取1.17;ω0為基本風壓? ? ?（KN/m2）;v取30 m/s、40 m/s。

在加載時具體計算塔身結構構件迎風面的投影面積，將風荷載轉換為風壓，平均的分配到每段塔迎風桿件節點上。

3 ? 風速40 m/s時輸電塔靜力響應分析

鐵塔倒塌的過程如下：如圖2所示，輸電塔在風速為? ? ?40 m/s的風荷載持續施加下，經歷了13.3 s最終破壞。風荷載加載到5 s時，塔身情況如圖2（a）所示，塔身輕微傾斜，塔身內部最大應力達到34.12 MPa;在10 s時，如圖2（b）所示，塔身傾斜明顯，最大應力出現在塔身中段主材，為140.4 MPa，直至13.3 s，如圖2（c）所示，塔腳與塔身連接處背風面主材達到550 MPa屈服應力，桿件發生失穩破壞，其附近的桿件相繼失穩破壞，輸電塔最終失去承載力，塔身主材及輔材發生大范圍破壞，最終無法繼續承受風荷載發倒塌。

根據圖3所示，可以看出塔腳、塔身、塔頂三點位移隨時間的變化。塔頂位移隨時間變化最大，在輸電塔失去承載力時，塔頂位移達到780.72 mm。其次是塔身，位移達到260.81 mm，最后是塔腳，破壞時位移只有10.66 mm。

迎風面三點的應力，與50 m/s風速工況對比，三點應力變化情況差異不大。塔頂應力最大達到19.81 MPa，塔身中點在0～13 s過程中，應力隨荷載的持續施加逐漸增大，到144.93 MPa，在第13 s至破壞過程中應力變化不大，甚至稍有減小。塔腳應力在0～10 s過程中與塔身中點相似，應力逐漸增大到161 MPa，隨后應力突然增大，直到261 MPa，并未達到屈服強度。塔頂應力最大至6.28 MPa，塔身中點背風面應力與迎風面變化類似，0～13 s逐漸增大至146.96 MPa，而后變化不大，塔腳處應力在0～13 s內由0 MPa增至2.78 MPa，而后應力在3.3 s內突然增大，直到366.76 MPa。原因與分析? ? 50 m/s工況時相似，可能因為應力集中。

4 ? 結語

背風面主要受壓，這時的主材承受軸向壓縮，橫截面尺寸發生突然改變致使截面上應力不再均勻分布。同時從云圖中可以分析出，有桿件達極限屈服應力，最終發生破壞。所以，在后續的加固工作中，應格外關注塔腿與塔身連接部分。

[參考文獻]

[1]李士鋒，李宏男，張卓群，等.強風荷載作用下輸電線路的連續倒塌破壞分析[J].防災減災工程學報，2017（5）：835-841.

[2]張相庭.工程結構風荷載理論和抗風計算手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990.

[3]肖正直.特高壓輸電塔風振響應及等效風荷載研究[D].重慶：重慶大學，2009.

（編輯 何 琳）