特高壓酒杯塔組立過程中的結構強度分析

吳明春 丁浩然 許克克 楊平 李光澤 王爽 唐波 劉鈴

摘? 要：特高壓大跨越酒杯塔由于其結構的特殊性，在其施工組立過程中安全風險極大，需進行鐵塔結構強度的計算和校核。該文以某特高壓大跨越酒杯塔為例，針對塔頭組裝過程，選擇典型的鐵塔組立狀態，運用有限元方法，對其進行強度校核和計算，得到鐵塔結構的應力和位移分布規律，結果表明，增設對拉拉線后，鐵塔組裝處于狀態一、狀態二、狀態三時，其結構強度滿足要求。針對鐵塔組裝狀態三，為便于鐵塔橫擔中間連接部位的構件安裝就位和緊固螺栓，需在兩曲臂之間增設對拉拉線，并將對拉拉線的拉力調整至16.3 kN，進而將鐵塔橫擔中間連接位置的距離縮短為2 mm。該文的研究結論可為制定科學合理的鐵塔施工方案提供參考，保證特高壓輸電鐵塔施工安全高效地進行。

關鍵詞：酒杯塔；有限元；拉線；強度分析；特高壓

中圖分類號：X705? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0064-04

Abstract： Due to the special structure of the ultra-high voltage large span wine glass tower， there is a great safety risk during its construction and assembly process， and it is necessary to calculate and verify the strength of the tower structure. This paper takes a certain ultra-high voltage large span wine glass tower as an example， and focuses on the assembly process of the tower head. A typical iron tower assembly state is selected， and finite element method is used to verify and calculate its strength. The stress and displacement distribution law of the iron tower structure is obtained. The results show that after adding diagonal braces， the structural strength of the tower assembly in states one， two， and three meets the requirements. For the assembly status three of the iron tower， in order to facilitate the installation and fastening of the components at the middle connection position of the cross arm of the iron tower， it is necessary to add a pulling wire between the two curved arms， and adjust the pulling force of the pulling wire to 16.3 kN， thereby reducing the distance between the middle connection position of the cross arm of the iron tower to 2 mm. The research conclusions of this paper can provide a reference for the formulation of a scientific and reasonable tower construction plan and ensure that the construction of UHV transmission tower can be carried out safely and efficiently.

Keywords： wine glass tower; finite element; cable drawing; strength analysis; UHV

特高壓輸電鐵塔是電網的關鍵設備之一，其塔身高度高、構件重量和尺寸大，在鐵塔施工組立過程中安全風險大，特別是酒杯塔，其塔頭寬，曲臂K節點處結構強度薄弱，因此針對特高壓鐵塔組立過程中的各個組立狀態和工況，需對鐵塔結構進行強度校核計算，進而制定安全有效的施工技術方案和措施，保障鐵塔施工安全[1-3]。

在鐵塔結構強度分析方面，通過建立鐵塔模型，運用有限元方法，對特高壓酒杯塔這類高聳結構進行計算分析，可以高效、準確地實現鐵塔結構穩定性、桿材強度的校核，降低分析成本，在實際工程中得到了廣泛的應用[4-7]。竇漢嶺等[8]通過有限元軟件建立了轉角輸電塔線耦聯模型，通過模態分析研究了模型的動力特性，采用諧波合成法在MATLAB軟件中模擬出風荷載，最后通過Newmark法對轉角輸電塔線體系的風振響應進行時程分析；馮炳等[9]通過有限元軟件建立某酒杯塔模型，對其塔頭結構在均勻覆冰、不均勻覆冰和脫冰動力荷載等作用下的覆冰破壞形態進行了分析，得出酒杯塔塔頭在覆冰各工況下的結構薄弱點主要集中在地線頂架與K節點周邊桿件的結論；徐明鳴[10]通過有限元軟件建立某220 kV槍型酒杯直線塔，分別在絕緣配置、塔頭間隙、脫冰跳躍和結構受力等方面進行了設計與分析，并對比了酒杯塔、貓頭塔和槍型塔的塔頭尺寸及造價，得出槍型塔經濟性最優的結論。

從目前的研究來看，大多針對在運行的輸電鐵塔建立力學分析模型，計算和分析其結構強度和穩定性，而對施工組立過程中的輸電鐵塔進行強度分析的較少。本文以某特高壓工程大跨越酒杯塔為例，針對塔頭組裝過程，選擇典型的鐵塔組立狀態，運用有限元方法，對其進行強度校核和計算，分析鐵塔的穩定性，獲得塔頭安裝就位的關鍵力學參數，為制定科學合理的鐵塔施工方案提供參考，保證特高壓輸電鐵塔施工安全、高效地進行。

1? 特高壓酒杯塔力學分析模型構建

輸電鐵塔可以看成是若干桿和梁相互連接而成的空間桁架結構，其建模過程是一個較為復雜的過程，涉及到建模單位制的統一、建模單元的選取、角鋼的朝向等問題。為提高建模的效率和準確性，本文以某特高壓工程大跨越酒杯塔為例，根據其實際結構尺寸，采用模塊化建模的思想，將整個輸電鐵塔結構分為若干小段，利用ANSYS有限元分析軟件的APDL程序化設計語言進行建模，再利用節點耦合方式進行整個鐵塔結構的組裝，進而完成鐵塔的建模。建立的酒杯塔有限元模型如圖1所示。

2? 典型鐵塔施工組立狀態和強度分析工況

在鐵塔組立過程中，當鐵塔橫擔結構未安裝完成時，鐵塔的上下曲臂部位由于其結構的特殊性，容易因強度不足而產生失穩等安全風險，需對其進行強度和結構穩定性分析及校核。選擇鐵塔塔頭組裝過程中的3種典型狀態，分別建立上述3種組立狀態的鐵塔模型，并進行網格劃分，得到鐵塔結構強度有限元分析模型，在此基礎上，對鐵塔結構強度進行計算分析。各狀態分別如圖2—圖4所示，其中圖2為塔窗內的橫擔未開始組裝的狀態，圖3為塔窗內的橫擔部分組裝的狀態。圖4中塔窗內的橫擔完全組裝，但橫擔中間連接點未用螺栓進行連接。考慮到酒杯塔塔頭未組裝完成時有發生結構失穩的風險，因此針對圖2和圖3對應的鐵塔組立狀態，在塔頭兩側曲臂之間設置對拉拉線。

3? 典型施工組立工況下鐵塔結構強度分析

在本文建立的3種不同組立狀態的鐵塔模型上施加重力荷載，約束塔腿底端4個關鍵點，運用有限元方法，對鐵塔結構強度計算和分析。3種鐵塔組立狀態時，鐵塔結構產生不同程度的變形、位移和應力，狀態一至狀態三時，鐵塔的位移分別如圖5—圖7所示。狀態三時鐵塔塔頭在垂直于線路方向的位移和米賽斯應力分別如圖8—圖10所示。

由圖5—圖7可知，在重力荷載作用下，鐵塔組裝處于狀態一、狀態二、狀態三時，鐵塔的最大總位移發生在塔頭兩側，分別為217.93、215.32、324.04 mm；垂直線路方向的位移值分別為62、60.6、148.46 mm，狀態三時鐵塔塔頭在垂直于線路方向的位移達到148.46 mm，其分布情況如圖8和圖9所示。狀態一、狀態二、狀態三對應的鐵塔最大米賽斯應力值分別為185.65 、185.65、185.31 MPa，均小于鐵塔材料的許用強度值345 MPa，結構安全穩定性滿足要求。圖2和圖3對應的鐵塔組立狀態，在重力荷載作用下，塔頭兩側曲臂之間的對拉拉線的拉力分別為40.7 kN和39.5 kN。

針對鐵塔組立狀態三，由圖8和圖9可知，鐵塔橫擔中間處連接螺栓尚未安裝，塔頭垂直于線路方向的最大位移達到148.46 mm，左右兩端上曲臂結構呈現由中心向兩端外傾覆的趨勢，此時結構穩定性較低，存在一定的安全隱患；同時由圖9可知，在鐵塔橫擔中間連接處，兩側構件相距較遠（約82 mm），不利于橫擔中間連接部位構件及其螺栓的就位和安裝。因此也需在塔窗頂端的曲臂兩側增設2根對拉拉線，縮小橫擔中間連接處之間的位移和空隙，便于橫擔中間部位的連接就位和螺栓緊固，同時提高鐵塔塔頭結構的穩定性，本文通過計算得知應施加到拉線的拉力為16.3 kN。增設2根對拉拉線后，仍考慮重力荷載對鐵塔結構的作用，其位移、應力情況如圖11—圖14所示。

對比圖7和圖11可知，增設對拉拉線后，鐵塔組立至狀態三時，最大總位移值由324.04 mm減少為212.17 mm；對比圖8和圖12可知，垂直線路方向的最大位移值由148.46 mm減少為60 mm；根據圖13可知，增設對拉拉線后，鐵塔橫擔中間連接位置的距離由幾十毫米（約82 mm）縮短為幾毫米（約2 mm），這對后續鐵塔橫擔中間連接處的構件的安裝就位和緊固螺栓十分有利。因此，在實際鐵塔組立施工安裝至狀態三時，可將對拉拉線的拉力調整至16.3 kN。由圖14可知，增設對拉拉線后，狀態三的最大應力值為185.31 MPa，小于鐵塔材料的許用強度值345 MPa，此時鐵塔結構強度滿足安全要求，結構穩定。

4? 結論

本文以某特高壓工程大跨越酒杯塔為例，針對塔頭組裝過程，選擇典型的鐵塔組立狀態，運用有限元方法，對其進行強度校核和計算，結果表明，鐵塔組裝處于狀態一、狀態二、狀態三時，其應力均小于鐵塔材料的許用強度值345 MPa，結構強度滿足要求。為便于鐵塔橫擔中間連接部位的構件安裝就位和緊固螺栓，需在兩曲臂之間增設對拉拉線，并將對拉拉線的拉力調整至16.3 kN，進而將鐵塔橫擔中間連接位置的距離由82 mm縮短為2 mm。本文的研究結論可為制定科學合理的鐵塔施工方案提供參考，保證特高壓輸電鐵塔施工安全高效地進行。

參考文獻：

[1] 陳祥和，劉在國，肖琦.輸電桿塔及基礎設計[M].北京：中國電力出版社，2020.

[2] 黃曉予，阮筱菲，陳俊.淺析輸電鐵塔結構加固方法[J].能源與環境，2022（5）：29-31.

[3] 趙云龍.微地形下特高壓輸電鐵塔風振響應特性研究[D].福州：福州大學，2021.

[4] 盧銀均，劉闖，陳磊，等.特高壓輸電鐵塔動力特性分析[J].東北電力技術，2019，40（4）：21-24.

[5] 電力規劃設計總院.特高壓架空輸電線路桿塔結構設計技術規程：DL/T5486—2013[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[6] 電力規劃設計總院.架空輸電線路桿塔結構設計技術規定：DL/T 5154—2012[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[7] 電力規劃設計總院.架空輸電線路荷載規范：DL/T 5551—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[8] 竇漢嶺，程長征.轉角輸電塔線體系的風振響應分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2020，43（9）：1218-1222.

[9] 馮炳，謝芳.輸電線路酒杯塔塔頭覆冰破壞形態分析及復合材料橫隔加強技術研究[J].電氣應用，2015，34（13）：116-121，125.

[10] 徐明鳴.重覆冰山區陡坡220 kV槍型酒杯直線塔設計研究[J].吉林電力，2022，50（2）：36-38，42.