500kV輸電線路窄基鋼管塔有限元分析

翁蘭溪，趙金飛，池金明，李宏進

(福建省電力勘測設計院 福建福州 350003)

引 言

圖1 窄基塔現場照片圖

圖2 窄基塔有限元模型圖

本文以石獅鴻山電廠 ～晉江500kVΙ、Ⅱ回線路工程中設計應用的一種500kV雙回路窄基鋼管塔SZ2為研究對象(見圖1)。與常規塔相比，窄基塔根開受限制，塔身主材計算長度、長細比較小，不滿足規范的鉸接體系長徑比規定值。通過建立有限元計算模型，研究結構的振型特征，分析二階效應、次彎矩對窄基塔結構的影響。

圖3 窄基塔單線圖

1 振型分析與塔身扭轉

窄基塔SZ2的鐵塔高度與根開比值為10～15，超過常規鐵塔的4～6，其截面能夠提供的扭轉剛度比常規鐵塔小，其扭轉效應比常規鐵塔明顯。其結構布置除了滿足普通鐵塔的受力要求，必須注意其塔身扭轉效應。

圖4 一～三階陣型圖

采用Midas結構分析軟件對窄基塔 SZ2(呼高54m，全高80.8m)進行數值建模和動力特性分析。桿塔前六階的自振周期如(表1)所示，有限元模型見(圖2)，桿塔單線圖見(圖3)，振型圖如(圖4)所示。

表1 窄基塔SZ2自振周期及振型表

通過(圖4)一～三階陣型可以看出:

本工程桿塔的整體前三振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲和繞Z向的扭轉，與多數輸電鐵塔的計算結果相類似。其中Y向一階與X向一階的振型頻率非常接近，相差0.6%，說明該桿塔結構的Y向及 X向剛度相近。扭轉振型出現在Y向與X向一階振型之后，一階扭轉振型與橫向一階振型頻率相差約為57.1%，說明桿塔不易發生扭轉變形。隨后出現的是X向與Y向二階振型及局部振動。

通過自振特性的數值分析結果可以看出，該桿塔結構體系與結構布置合理，動力特性優良。

2 桿塔次彎矩分析

《架空輸電線路鋼管塔設計技術規定》[1]7.3.4條“當鋼管塔主材的長徑比不小于12、斜材的長徑比不小于24時，可按照空間桁架鉸接體系進行結構內力分析。否則，應考慮節點剛性引起的鋼管次彎矩的不利影響”。《鋼結構設計規范》[2]也有相同的規定。

采用 Midas有限元軟件建立窄基塔 SZ2模型。窄基鋼管塔的主材采用梁單元，其它受力較小的斜材和輔助材等采用桿單元模擬。以60°大風工況為例，利用有限元分析結果，推算出各主材端部次彎矩應力及與構件承載力的影響見(表2)。表中對應的主材段數見(圖3)。

表2 桿塔次彎矩計算分析

通過(表2)計算分析結果可知:與桿單元軸力相比較，梁單元構件的軸力減少約1～3%;梁單元的桿端彎矩對主材應力影響不可忽略，由于該塔沒有設計變坡，與其他塔的次應力分布[3-4]有所區別。該塔塔腿處應力增加約10%，下橫擔與塔身連接段主材應力增加約7%。其余各段主材:長細比為15～16時，主材應力增加的比例約7～10%;主材長細比越大，主材應力增加越小，長細比27～30時，主材應力增加的比例約3～5%。

3 P－△效應

窄基塔破壞類型屬于極值型失穩，結構在設計荷載作用下發生整體彎曲變形。由于窄基塔的塔高與根開比值比常規塔更大，受二階效應的影響也比常規塔要大。以下分析窄基塔SZ2桿塔二階效應影響對塔身整體變形的影響以及對塔身構件應力影響。位移比較見(圖5)，桿塔部分構件內力比較見(表3)。通過分析可以看出，窄基塔SZ2在設計荷載范圍內，二階效應對桿塔變形影響小可以忽略，二階效應對塔身主材內力的影響小于1%。

表3 桿塔P－Δ效應計算分析表

圖5 計算位移值對比圖

4 結論

本文以500kV雙回路窄基鋼管塔SZ2為研究對象，建立有限元計算模型進行分析，結論如下:

1)窄基鋼管塔SZ2整體前三階振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲和繞Z向的扭轉，自振特性的數值分析結果看出，該桿塔結構體系與結構布置合理，不易發生扭轉變形。

2)與桿單元相比較，梁單元構件的軸力減少約1～3%;

3)與桿單元相比較，塔腿處主材應力增加約10%，下橫擔與塔身連接段主材應力增加約7%。主材長細比越大，主材次應力影響越小。建議設計中對小長細比的主材進行次應力驗算。

4)在設計荷載范圍內，窄基塔SZ2桿塔二階效應影響對塔身整體變形的影響很小，對塔身主材內力的影響小于1%。

[1]DL/T 5254-2010，架空輸電線路鋼管塔設計技術規定[S].

[2]GB 50017-2003 ，鋼結構設計規范[S].

[3]李茂華，楊靖波，李正良等.1000kV雙回路鋼管塔次應力的影響因素[J].電網技術，2010，34(2):20-23.

[4]崔磊，特高壓輸電鋼管塔次應力研究[J].廣東電力，2013，26(1):50-52.