風載作用下材料參數對電纜終端桿塔力學特性的影響

蔡冰冰，韓承永，盛金馬，朱曉峰，葛宜俊，楊進，劉爽，汪亦顯

（1.安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230031；2.安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

我國東部地區經濟快速發展，但能源匱乏且用電負荷相對集中，造成了能源資源與電力電荷分布不均勻的現狀，隨著西部地區的能源開發與輸送能力的發展，極大程度地推進了西電東送工程的落實與發展[1]。高壓輸電工程關系到社會生存發展的大計，城市輸電線路中電力電纜與架空線相連接，構成了城市電網中的“電纜-架空線”混合線路，其中電纜終端桿塔就承擔著城市架空線路向電纜轉化的作用。電纜終端桿塔屬于高聳建筑物，因此，所處的環境風載荷比較大，終端桿塔又屬于風敏感結構，對桿塔的構造強度與穩定性有著較高的要求[2]。

基于此，國內外學者完成了很多關于輸電桿塔在風載荷下的穩定性與可靠度研究。張博[3]通過對不同風荷載條件下輸電桿塔的應力分布特征進行有限元分析，研究了相應風荷載條件下輸電桿塔的結構穩定性。劉慕廣[4]利用風洞試驗與荷載響應相關法對桿塔進行等效對比分析，結果表明，建立的基于氣彈模型位移響應來識別輸電塔結構等效靜風荷載的試驗分析方法合理、有效。竇漢嶺[5]采用諧波合成法在Matlab 中模擬出風荷載，通過Newmark法對轉角輸電塔線體系的風振響應進行時程分析，研究得出桿塔的風振特性。侯景鵬[6]運用有限元軟件分析輸電塔在靜力風荷載下的非線性穩定性及各級動力風荷載下的瞬態變化，采用B-R 準則和位移相等準則判斷動態失穩并以理論驗證，結果表明，脈動風對結構穩定性影響較大。杜偉[7]采用有限元法對各種加固方案進行應力強度計算和局部穩定性分析，并給出了加固桿件的設計及節點連接方式的構造措施。張琳琳[8]應用概率密度演化方法對某輸電塔結構受風荷載作用下的動力可靠度進行了分析，結果表明，概率密度演化方法可以準確、有效地分析風荷載作用下輸電塔結構的動力可靠度。

通過分析電纜終端桿塔的構造與材料參數，在有限元軟件中進行終端桿塔桿件材料參數的定義，考慮終端桿塔在自重與靜力風荷載共同作用下的受力情況，通過有限元分析結果研究得出桿塔反映出的力學特性，并通過分析結果找出終端桿塔在風載作用下的薄弱部位，最終得到電纜終端桿塔桿件材料參數與桿塔自身抵抗風載的強度與穩定性的關系。

2 桿塔有限元模型的建立

2.1 桿塔模型簡介

電纜終端桿塔是將架空線與電力電纜相連接的塔形結構，按照電纜終端布置形式的不同，將電纜終端塔分成電纜終端站（電纜終端塔有電纜終端頭安裝在地面立柱上）、承臺式沖油電纜終端（電纜終端頭安裝在塔身電纜終端承臺上）和戶外干式柔性終端（電纜終端頭安裝在塔頭橫擔處）三種主要形式。電纜終端桿塔較耐張型輸電桿塔以及轉角型輸電桿塔而言，具有承擔不平衡張力等更為嚴苛的受力條件。根據常見形式的電纜終端桿塔結構特點，不考慮導線對終端桿塔的荷載作用，單獨選取其相同的主體塔身等部位作為有限元分析對象。

2.2 桿塔的有限元單元與邊界條件

一般而言，電纜終端塔通常都是由角鋼組合而成的桿件，通過螺栓以及連接板組成的連接點相互連接構成。通過對模型進行簡化，以達到加快結果收斂速度進而提高計算精度的目標。在模型邊界條件方面，約束終端桿塔四個塔腳的所有位移，使之與大地剛接。為了使螺栓與連接板組成的連接點具有傳遞彎矩的作用，將其簡化為剛節點。在節點單元建立方面，將終端桿塔的桿件簡化為梁單元進行模擬計算，如圖1所示。

圖1 終端桿塔有限元模型

本文案例采取的電纜終端桿塔塔高41.5m，且終端桿塔的桿件材料參數分別從其截面與材料特性兩方面進行研究，分別對終端桿塔的主材、斜材和輔材給予不同的角鋼截面面積與材料參數，形成對應的模擬工況，如表1所示。

終端桿塔材料參數工況表 表1

3 終端桿塔自重與風荷載的計算及加載

終端桿塔所承受的荷載可分為桿塔自重產生的垂直荷載和風產生的水平荷載。本文采取Midas/Civil軟件對電纜終端桿塔進行力學特性分析，由于軟件能根據所確定的單元參數自動對桿塔模型進行自重計算，因此只需要確定構成模型中桿件的截面特性與材料參數。由《架空送電線路鋼管桿設計技術規定》與《輸電桿塔及基礎設計》可知，風荷載隨著構造物的高度不同，相應風速也會不同，所以桿塔在每個高度處所產生的水平荷載也會不同[9]。電纜終端桿塔布置在輸電線路中需要由架空線路轉下接電纜敷設的各個地區與環境中，因此終端桿塔會由當地的氣候環境影響，承受著不同角度以及不同風速的風荷載的作用。按照規范標準計算，根據每個地區都有對應的風載標準值，再依據相應規范中的風荷載計算公式將其轉化為集中力，最后對終端桿塔塔材節點進行相應力的施加。

電纜終端桿塔自重荷載以及風荷載的計算公式均采用上述規范與文本。因此，終端桿塔重力荷載按照軟件自帶的計算功能，在每個單元施加。風荷載簡化為集中力，均勻分布至主材迎風面的各個節點上[10]，如圖2所示。

圖2 終端桿塔風荷載施加方式

4 自重與風荷載作用下桿塔的模擬

考慮材料參數對桿塔自身的重力荷載產生的影響，對相應工況的終端桿塔施加不同攻風角與風速的靜態風荷載進行數值模擬分析。終端桿塔需要在不同攻風角的風荷載作用下，保持桿塔自身的穩定性，更要保證桿塔在承受不同條件風荷載的同時而不被破壞[11～12]。模擬施加的風荷載采用20m/s 的風速，攻風角采取0°與90°兩種不同角度。利用規范要求中的風載計算規定，將風速換算成節點荷載施加在桿塔模型上，得出不同材料參數的電纜終端桿塔在風載下的應力及位移。

圖3是工況1條件下，在攻風角分別為0°、90°時的應力變形云圖，根據桿件單元局部位移結果可知，兩種攻風角風載下最大應力變形均出現在桿塔背風處的塔腿主材，此處塔腿主材桿件受到風荷載與重力共同作用出現受壓狀態。此外，兩種攻風角情況下，塔腿迎風處以及背風處最下端連接兩根塔腿主材的橫材，均出現較大的位移，二者位移方向均偏向桿塔中軸線，說明風荷載作用下，此處是桿塔薄弱點，應當注意對桿塔此處的加固。

圖3 與圖4 表示工況1 至 工況5 條件下，在攻風角為0°情況下的總應力變形云圖，由圖可以看出，所有工況在風載作用下，桿件發生受壓的最大應力均大于受拉時的最大應力，相同風荷載作用下，桿塔最大拉應力出現在工況4 的90°攻風角風載條件下，其值為63.21MPa，桿塔最大壓應力出現在工況3 的90°攻風角風載條件下，其值為123.22MPa。此外，相同風速情況下攻風角為0°時，桿塔的最大應力及位移均小于90°攻風角時桿塔的最大應力及位移，由于在施加風荷載時0°攻風角條件的迎風面風載施加節點數要少于90°攻風角條件時的節點數，導致在相同風速下桿塔受力大小出現差異，這也是導致前者對桿塔產生的應力與位移普遍小于后者的重要原因。

圖3 兩種攻風角下工況一的桿塔應力變形云圖

圖4 攻風角為0°時各工況的桿塔應力變形云圖

桿塔在各工況條件下的最大位移均出現在電纜終端桿塔的塔頂部位，最大應力均出現在桿塔的下部塔腿處，電纜終端桿塔的這兩處均是桿塔在受到風載作用下最容易受到破壞的部位。此外，在塔身下橫擔與塔腿主材相連的坡面過渡處也出現相對較大的應力變形與位移。因此，在桿塔設計及施工時應當注意對上述部位的加固處理，終端桿塔在檢修時也應當著重注意這些部位的桿件質量檢查。

由表1 與表2 可知，工況1 與工況2反映了桿塔主材材料對桿塔在風載作用下產生的影響，從桿塔應力與位移結果可以看出，主材材料特性對桿塔在風載下所起到的影響較小；工況1與工況3反映了桿塔主材截面面積對桿塔在風載作用下產生的影響，且在主材所用桿件的截面積相對減小后，其中在90°攻風角的風載條件下工況3 桿塔的應力與位移在所有工況中是最大的，其中最大應力值 為123.22MPa，最 大 位 移 值 為63.74mm，可以看出主材截面是影響桿塔在風載作用下產生變形與位移的重要因素，在桿塔設計施工時應當著重對主材截面的最優化選擇。

各工況下終端桿塔的最大應力與位移 表2

工況2 與工況4 反映了斜材以及橫材截面對桿塔產生的影響，可以看出兩工況中的斜材以及橫材截面特性對桿塔造成的力學特性相比，后者在相同風荷載的作用下造成的應力變形與位移也越大，因此，斜材以及橫材截面積的選擇對加強桿塔抵抗風載的強度也起到了重要作用。工況2 與工況5 反映了桿塔斜材以及橫材材料特性對桿塔產生的影響，在0°攻風角下桿塔產生的位移前后則相差2%，而90°攻風角下桿塔產生的位移前后則相差0.6%，從結果來看兩工況桿塔在風載下產生位移幾乎無差別。此外，在工況5 的0°攻風角條件下出現了最小應力與最小位移，其中最小應力其值 為93.85MPa，最 小 位 移 其 值 為43.48mm，值得注意的是其余工況1 以及工況2 結果相比，三者的應力與位移數值十分接近。

5 結論

本文通過運用Midas/Civil軟件對電纜終端桿塔進行模擬計算，通過建立不同工況下桿塔的有限元模型，分別對各工況條件下的桿塔進行有限元數值模擬。通過分析對比桿塔風荷載模擬下的應力云圖與位移云圖，得出以下結論。

①電纜終端桿塔在風荷載下出現的最大受壓應力大于最大受拉應力；

②相同風速情況下攻風角為0°時終端桿塔的最大應力及位移均小于90°攻風角時，終端桿塔的最大應力及位移主要是90°攻風角時，施加的節點荷載較0°攻風角條件時更多，即終端桿塔的風載受力面更大；

③電纜終端桿塔在各工況條件下的最大位移均出現在電纜終端桿塔的塔頂部位，最大應力均出現在桿塔的下部塔腿處，其次在塔身下橫擔與塔腿主材相連的坡面過渡處，也出現相對較大的應力變形與位移，桿塔設計施工時應當注意對上述部位的加固處理；

④主材以及斜材（橫材）截面特性改變會影響桿塔在風載下的強度及穩定性，主材以及斜材（橫材）的材料特性變化對桿塔抵抗風載的強度及穩定性影響效果不明顯；

⑤相同風荷載條件下，當終端桿塔的主材截面特性從工況1 降低到工況3時，桿塔出現了工況中的最大應力與位移，其中最大應力值為123.22MPa，最大位移值為63.74mm，設計施工時需要注意主材截面的最優化選擇。