往復荷載作用下輸電鐵塔桿件受力性能探究

摘 要：本研究旨在探究高海拔地區輸電線路在往復荷載作用下鐵塔桿件的受力性能問題。研究通過設計試件、實施試驗并分析試驗結果，評估輸電鐵塔桿件在往復荷載作用下的受力性能及其剩余承載力。研究人員以西藏地區某輸電線路為研究對象，根據該線路鐵塔桿件設計標準以及性能要求，設計具有代表性的試件，并在實驗室環境中模擬往復荷載作用。通過測量試驗中的變形情況，結合數值模擬分析，獲取輸電鐵塔桿件在不同荷載作用下的應力分布情況。試驗結果顯示，在往復荷載作用下，輸電鐵塔桿件表現出明顯的應力集中現象，即往復荷載對輸電鐵塔桿件的影響顯著。本研究的研究成果可以為輸電鐵塔桿件設計與優化提供試驗數據支持，并為相關標準制定提供理論依據，具有很高的實用價值。

關鍵詞：往復荷載；鐵塔桿件；受力分析

中圖分類號：TM 75 " " 文獻標志碼：A

在高海拔地區，風速較高且變化頻繁，輸電鐵塔桿件長期受復雜的循環荷載作用。這種惡劣的環境條件增加了輸電鐵塔桿件疲勞破壞的風險，對電力系統的安全穩定運行構成了嚴重威脅。在這種背景下，研究人員深入研究往復荷載對輸電鐵塔桿件的具體影響機制。通過科學分析驗證，為工程設計提供重要的技術支持，保障電力系統能夠安全運行。

1 工程概況

西藏地區某高海拔輸電線路位于海拔超過4000m的高海拔地區，冬季寒冷且多風，夏季高原紫外線強烈，這些因素對輸電線路的安全性、穩定性提出了更高的要求。研究人員調取該地區過去的監測數據，發現在冬季極端風雪環境中，輸電鐵塔桿件表面結冰厚度曾達到10cm以上，荷載顯著增加。某些鐵塔桿件在這種情況下承受超過1000N/m3的冰雪荷載，導致局部應力超過設計承受能力，桿件表面出現明顯的裂紋以及變形。為優化鐵塔結構設計，提高其抗循環荷載能力，研究人員在實驗室環境中進行電鐵塔桿件試件往復荷載試驗，根據試驗結果進行剩余承載力分析，為保障高海拔地區輸電線路的安全運行提供幫助。

2 試件設計

在進行輸電鐵塔桿件受力性能試驗的過程中，研究人員為了保證試驗結果具有廣泛的適用性，特別選擇實際使用中常見的兩種不同尺寸的鐵塔桿件以及角鋼截面作為試驗的試件材料。在具體實踐中，第一種試件材料為L50×4的角鋼，其截面寬度為50mm，厚度為4mm；第二種試件材料為L63×5的角鋼，其截面寬度為63mm，厚度為5mm。這兩種角鋼截面尺寸能夠較好地代表實際應用中常見的鐵塔桿件尺寸。

在連接方式選擇方面，研究人員精心挑選了兩種常見的連接方式來進行比較和分析，分別是單螺栓連接和雙螺栓連接。單螺栓連接方式模擬了在簡易結構中常見的連接方式，而雙螺栓連接方式則考慮了更高強度以及更穩定的連接需求[1]。將這兩種連接方式進行比較，研究人員希望能夠評估在高海拔環境下，不同的連接方式對輸電鐵塔桿件受力特性的影響。

為了進一步保證試驗結果的全面性和準確性，研究人員還特別設計了針對試件的長細比的3種典型條件，長細比分別為100、120、140。這3種條件涵蓋了在實際應用中常見的輸電鐵塔桿設計需求，從較短較厚的試件到較長較細的試件，反映實際輸電鐵塔桿件在設計與制造中的多樣性。通過這種設計，研究人員能夠更全面地了解不同長細比對鐵塔桿件受力性能的影響，從而為實際工程應用提供更為可靠的參考依據，試件尺寸見表1。

3 試驗實施

3.1 加載過程

在本研究中，研究人員在試驗臺架上安裝試件，保證單螺栓或雙螺栓連接方式正確且固定可靠，模擬實際鐵塔的裝配以及連接條件（如圖1所示）[2]。

研究人員采用電動液壓系統能夠施加往復荷載，模擬高海拔地區常見的風力和冰雪荷載條件。為了更準確地反映不同季節和環境條件下的變化負載，將每個試件的循環荷載設定在2000N～5000N。除此之外，研究人員還需要對荷載的振幅和頻率進行精確設定，保證試驗結果的可靠性。將振幅設定在±250N～±500N，頻率則設定在0.5Hz～1Hz[2]。可以根據具體的試驗設計需求調整這些參數，保證在試驗過程中能夠充分模擬真實的往復荷載效應。

在加載過程中，研究人員使用精密傳感器和數據采集系統對每個試件進行實時監測。這些設備能夠準確記錄每個循環中的最大應力值、最大變形量、可能出現的裂紋位置以及裂紋的擴展情況。通過這些詳細的數據記錄，研究人員可以更深入地了解試件在不同荷載條件下的性能表現，從而為高海拔地區的結構設計以及材料選擇提供科學依據，動液壓系統施加往復荷載示例見表2。

3.2 停止條件

在本次研究中，研究人員針對每個試件，特別設定了5000～10000次的往復荷載循環。這個設定的目的是為了模擬試件在實際運行條件下的長期耐久性，從而更準確地評估其在長期使用中的表現。在試驗過程中，研究人員密切監視試件的應力狀態，一旦發現試件的局部應力超過了預先設定的安全限制值，就需要立即采取措施停止加載。這種做法旨在保護試件免受過載破壞，同時保證試驗數據的有效性和可靠性。

此外，研究人員還通過監測試件的變形情況來評估其安全性。如果試件的變形超出了預設的安全范圍，即變形量超過5%，那么研究人員同樣會考慮停止加載。這個措施是為了防止試件結構發生不可逆的損壞，保證試件在試驗過程中的結構完整性。為了全面評估試件在不同季節和環境條件下的荷載效應，將每個試件的試驗時間設定為2周～4周。這個時間跨度足夠長，可以模擬在不同環境條件下的充分荷載效應，從而為研究人員提供更為全面和準確的數據支持。

通過這種細致入微的試驗設計和嚴格的安全措施，研究人員能夠保證試驗結果的準確性和保障試件的安全性，為后續的研究和應用提供堅實的基礎。

4 往復荷載作用下輸電鐵塔桿件試驗結果與分析

在試驗過程中，研究人員針對兩種類型桿件的破壞情況進行了跟蹤記錄，并拍攝了試驗現場圖[3]。

4.1 L50×4截面角鋼

分析L50×4單連接螺栓截面角鋼試件破壞現場可以發現，構件端部、跨中區域出現顯著屈曲與彎扭變形。在初次循環加載初期，單螺栓連接約束弱，桿件無明顯變形。隨著外加載荷增加，變形逐漸顯現并加劇，峰值時屈曲變形嚴重。當載荷降低時，跨中彎扭變形恢復快，端部恢復慢。在卸力結束后，跨中變形恢復但端部屈曲仍顯著，顯示不可逆破壞。多次循環加載會使變形加劇，顯示累積損傷效應。構件長細比增加會導致跨中變形增加，說明長細比對變形特性有顯著影響，單連接螺栓截面角鋼試件破壞數據見表3。

分析L50×4雙連接螺栓截面角鋼試件破壞現場可以發現，試件中端部存在顯著的屈曲變形現象。由于雙螺栓連接角鋼構件的端部受到螺栓端部的約束加強作用，因此該區域并未呈現明顯的扭轉跡象。在首次循環加載階段，雖然端部螺栓出現滑移現象，但桿件本身并未顯著變形。隨著荷載逐步增加，端部以及構件跨中的變形逐漸加劇，直至達到峰值荷載，屈曲變形現象十分明顯。當荷載開始減少時，構件跨中的屈曲變形恢復速度較快，跨中撓度迅速減少。相比之下，端部屈曲的恢復并不明顯[4]。當卸力階段結束時，跨中位置僅有輕微變形，而端部屈曲變形依然嚴重，表明端部變形的恢復程度比跨中低，雙連接螺栓截面角鋼試件破壞數據見表4。

4.2 L63×5截面角鋼

分析L63×5截面角鋼單連接螺栓截面角鋼試件破壞現場，可以發現，單螺栓連接構件的端部約束性能較弱，端部螺栓出現滑移現象，螺栓與孔壁之間開始發生擠壓作用。隨著端部的扭轉變形逐漸加劇，構件整體發生了扭轉，使跨中的抗變形能力顯著減弱，跨中變形現象明顯加劇。當達到峰值荷載時，構件的端部、跨中區域均出現屈曲變形現象。在卸力階段，角鋼構件的恢復速度逐漸放緩，直至位移荷載恢復到初始位移狀態。

分析L63×5截面角鋼雙連接螺栓截面角鋼試件破壞現場，可以發現，構件跨中出現彎扭與屈曲變形現象，同時，其端部局部也存在屈曲變形的情況。盡管對螺栓端部約束進行了加強處理，有效防止了構件端部扭轉情況，但跨中區域仍然出現了扭轉現象。在首次循環加載過程中，構件端部跨中的變形逐漸累積并擴大。當加載至峰值荷載時，端部、跨中的屈曲變形尤為嚴重，呈現顯著的變形特征。進入卸力階段初期，跨中位置的屈曲變形得到了較快恢復，而端部的屈曲變形恢復程度并不顯著。隨著卸力階段持續進行，角鋼構件的恢復速度逐漸減緩，直至位移荷載回歸至初始位移狀態。當卸力階段結束時，跨中位置雖然存在一定程度的殘余變形，但與端部相比，其屈曲變形程度較輕。經過多次循環加載，雙螺栓連接角鋼構件的端部、跨中變形呈現逐漸增加的趨勢。

5 往復荷載作用下輸電鐵塔桿件剩余承載力分析

5.1 桿件剩余承載力分析

在本次研究中，工作人員對每一次循環中的試件剩余承載力進行統計，匯總見表5。

分析表5可以發現，第一次循環加載時，試件T1隨著循環次數增加，剩余承載力逐漸下降。在第五次循環加載后，剩余承載力降至26.27%，衰減占比為46.68%。第一次循環加載時，試件T2極限承載力為77.85%，衰減占比為100%。在第五次循環加載后，剩余承載力降至15.98%，衰減占比僅為18.04%。試件T2在多次循環加載過程中，剩余承載力衰減了81.96%，衰減程度非常嚴重。第一次循環加載時，試件T3極限承載力為69.83%，衰減占比為100%。在第五次循環加載后，剩余承載力降至34.15%，衰減占比為50.14%。試件T3在多次循環加載過程中，剩余承載力衰減了49.86%。第一次循環加載時，試件T4極限承載力為39.26%，衰減占比為100%。在第五次循環加載后，剩余承載力降至33.17%，衰減占比為80.46%，試件T4在多次循環加載過程中，剩余承載力衰減了19.54%。

由此可以看出，不同試件的初始極限承載力存在較大差異。試件T2的初始極限承載力最高，而試件T4的初始極限承載力最低。該結果與試件的材料、結構形式等因素有關。在多次循環加載過程中，各試件的剩余承載力均呈下降趨勢。其中，試件T2的衰減程度最為嚴重，從第一次循環的77.85%降至第五次的15.98%。試件T4的衰減程度相對較小，但仍表現出明顯的下降趨勢。基于上述分析，研究人員得出結論：所有試件在多次循環加載后的剩余承載能力都明顯下降，驗證了試件在疲勞加載下的損傷累積效應。

5.2 剛度變化

除了剩余承載力外，剛度變化也會對輸電鐵塔桿件的強度產生直接影響。因此，研究人員針對試件進行了剛度試驗，觀察在循環荷載的影響下，桿件的剛度變化規律，見表6。

分析表6可以發現，試件T1在循環中的剛度比值波動較小，整體表現相對穩定，沒有明顯的趨勢性變化。試件T2在第一次與第二次循環后剛度比值變化較小，但隨后的循環中呈現顯著降低趨勢。試件T3的剛度比值變化相對較小，尤其在第二次與第三次循環中相對穩定[5]。而試件T4在循環加載過程中剛度比值急劇下降，尤其是在第四次與第五次循環中呈現明顯的衰減趨勢。總體來說，大多數試件在多次循環加載后，剛度比值有所減少，這與剩余承載能力的下降趨勢一致，證明桿件在循環加載中發生變形。

6 結論

為保證高海拔地區輸電鐵塔桿件能在惡劣環境下能夠穩定持續工作，研究人員通過試驗，分析在往復荷載作用下，桿件的受力性能，并得出以下結論。1）無論是L50×5型號還是L63×5的單螺栓連接角構件，在往復荷載作用下，會出現整體彎扭以及端部屈曲等破壞現象。而雙螺栓連接角破壞則主要表現為整體扭曲，與單螺栓連接角相比，雙螺栓連接角桿件端部的承載力更強。2）每次循環后，試件的剩余承載力具有離散性特點，隨著循環次數增加，試件剩余承載力逐漸降低。

參考文獻

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