1000kV大跨越直線鋼管塔次彎矩分析

徐明鳴，李春，陳浩

(中國能源建設集團有限公司湖南省電力勘測設計院，湖南 長沙410007)

近年隨著特高壓電網的大規模建設，鋼管塔已開始普遍應用于輸電線路中。它具有空氣動力學性能好，構件截面抗彎剛度大，受壓穩定性好，結構超載性能強等優點，能充分發揮材料的承載性能，具有技術和經濟優越性〔1〕。

1 000kV 大跨越直線塔采用鋼管構件，因其構件規格大、主材法蘭連接、節點板較厚及連接螺栓多等特點使得全塔構件焊接的連續性、構件接頭及節點板剛性都強于常規鐵塔，桿件端部受到很大的嵌固作用，限制桿件間夾角的變化，造成桿件彎曲，由此產生的桿彎矩具有二階效應，稱為次彎矩。但鐵塔理論計算模型為鉸接空間桁架結構，即假設節點約束為鉸接，桿件只承受軸力不承受彎矩，忽略桿端彎矩的作用。整個鐵塔作為超靜定空間體系，根據靜力平衡條件和變形協調關系來求解桿件的內力，同時依據強度和穩定性條件完成鐵塔設計的選材工作。文中以大跨越直線鋼管塔為研究對象，采用SAP2000 有限元分析計算模型，分析桿端次彎矩對構件承載力的影響。

1 鋼管塔分析模型

鋼管塔的主材兩端通過法蘭連接，其承受軸向力外還可以承受剪切力及彎矩。而塔身斜材剛度較小，兩端固定螺栓較少，其連接方式更便傾向于桿件鉸接。為更符合鋼管塔的實際受力情況，文中采用空間梁桿混合的分析模型〔2〕。空間梁桿混合模型是將鐵塔主材和橫隔材視為梁單元，斜材視為桁架桿單元，在建模時，對整塔結構進行離散化，以塔各構件中心軸線相交點作為模型節點，節點間桿件形成模型的單元。在有限元計算時梁單元作為整塔受力及抵抗變形的骨架，桿單元則起到分配傳力及協調變形的作用，同時約束鐵塔4 個腳點在空間坐標系下3 個方向的位移自由度。

2 工程實例計算

2.1 大跨越直線鋼管塔

文中以某1 000 kV 交流特高壓工程大跨越直線鋼管塔為例。該塔設計條件為:塔高202.5 m，根開39.12 m，設計風速為32 m/s，鐵塔構件布置如圖1。全塔采用鋼管構件，主材采用Q345B 材質，桿端用高頸法蘭連接。斜材采用Q235B 及Q345B材質，桿端用插板連接，主斜材節點處通過加焊環向加勁板保證受力剛度。綜合考慮鋼管塔施工及運行過程，選取60°大風(正常工況)、斷左上、左中導線(事故工況)及吊裝左上導線(安裝工況)為計算荷載，如圖2。

圖1 大跨越直線塔單線圖

圖2 有限元加載圖

2.2 構件強度計算理論

考慮次彎矩因素，鋼管塔主材的實際受力為拉彎或壓彎，計算時需要同時考慮軸力和彎矩對桿件受力的影響〔3－5〕，受力模式如圖3。依據鋼結構設計規范文獻〔4〕中相應公式考慮次彎矩對強度和穩定計算的影響程度。

圖3 構件受力模式

文中取My為構件單元繞局部坐標系y 方向I，J 兩端彎矩的較大值;Mz為構件單元繞局部坐標系z 方向I，J 兩端彎矩的較大值。

拉彎或者壓彎主材的強度計算:

式中 N 為主材所受軸心壓力;A 為圓管截面積;γy，γz為與截面模量相應的截面塑性發展系數，對于圓管截面γy，γz取值均為1.15;My，Mz為同一截面處繞y 軸和繞z 軸的彎矩;Wny，Wnz為對y 軸和繞z 軸的凈截面模量。

壓彎主材的穩定應力計算:

式中 NEx' = π2EA/(1.1λ)，為常量;φ 為彎矩作用平面內的軸心受壓構件穩定系數;M 為所計算主材段范圍內的最大彎矩;W 為在彎矩作用平面內對較大受壓纖維的毛截面模量;β 為等效彎矩系數，β = 0.65 + 0.35(M1/M2)，M1和M2為端彎矩，使構件產生同向曲率時此比值同號，使構件產生反向曲率時，此比值為異號，

2.3 計算結果分析

根據有限元計算結果，選取主材控制工況60°大風狀態下的彎矩計算值，通過對各主材鋼管構件由軸力引起的強度應力及穩定應力、由次彎矩引起的附加應力進行比較分析，有限元計算結果如圖4—5，分析對比見表1。

圖4 直線塔次彎矩分布

圖5 直線塔次彎矩大小

表1 Q345B 鋼管塔次彎矩影響

3 結論

1)大跨越直線鋼管塔節點構造復雜，主材剛度較大，分析可知鐵塔存在一定的次彎矩影響。

2)從塔身次彎矩的分布情況看，次彎矩一般從上至下隨軸力的增加而增大，但塔身變坡點處，因節點構造剛度較大，出現次彎矩突變現象，因此在大跨越直線鋼管塔設計中，該處的橫隔面材及上下交叉材需考慮次彎矩影響進行加強處理。

3)桿件截面的大小應與內力的大小相協調，當桿件比較柔細時，對其變形的約束較小，內力可以通過變形釋放，端部次彎矩比較小;反之當桿件較粗短時，則產生的彎矩數值較大，因此對于大跨越直線鋼管塔主材構件長細比不宜過小。

4)大跨越直線塔主材次彎矩應力對桿件承載力的影響約8%～20%，在桿塔設計中須進行構件的強度復核并適當考慮安全裕度。

〔1〕劉振亞． 特高壓電網〔M〕． 北京:中國經濟出版社，2005:1-10．

〔2〕楊靖波，韓軍科，李茂華，等． 特高壓輸電線路鋼管塔計算模型的選擇〔J〕． 電網技術，2010，34(1):1-5．

〔3〕應建國，王媛，郭勇． 鋼管塔的次彎矩和局部穩定性分析及設計建議〔J〕． 特種結構，2010，27(5):39-41．

〔4〕GB50017—2003 鋼結構設計規范〔S〕． 北京:中國計劃出版社． 2003．

〔5〕郭健，孫炳楠，葉尹． 高聳鋼管塔的節點應力分析〔J〕． 鋼結構，2002，17(62):63-65．