風荷載作用下輸電桿塔的應力分布特征分析

張博 馬杰 李夢麗 艾文君 劉博

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052；

2.國網河南省電力公司經濟技術研究院，河南鄭州 450052）

風荷載作用下輸電桿塔的應力分布特征分析

張博1馬杰2李夢麗1艾文君1劉博1

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052；

2.國網河南省電力公司經濟技術研究院，河南鄭州 450052）

風害是引起輸電桿塔故障的重要原因之一。研究風荷載作用下輸電桿塔的應力分布特征，明確風害造成輸電桿塔故障的機理，對于輸電桿塔風害的防治具有重要的作用和意義。基于此，以典型的500kV超高壓CJ1-30型耐張塔為例，建立有限元分析模型，對不同風荷載條件下輸電桿塔的應力分布特征進行分析。結果表明，桿塔主材的坡面過渡位置是受力的薄弱點，并建議電網運行單位在年度運維檢修中予以重點關注。關鍵詞：風荷載；輸電桿塔；應力分布

風害是引起輸電桿塔故障的重要原因之一。由于自然災害的影響，輸電線路的倒塔次數和基數呈增長趨勢［1-3］。例如，1989年8月13日華東電網某500kV鎮江段4基桿塔倒塔；1992年和1993年發生2次大風致500kV輸電線路倒塔事故；1998年8月22日，華東電網某500kV線路江都段4基桿塔倒塔；2000年7月21日，吉林電網10基500kV桿塔因遭受龍卷風、暴雨和冰雹侵襲發生倒塔。因此，研究風荷載作用下輸電桿塔的應力分布特征，明確風害造成輸電桿塔故障的機理，對于輸電桿塔風害的防治具有重要的作用和意義。

1 典型耐張塔的有限元建模

輸電鐵塔按照在輸電線路中的作用不同，分為直線塔、轉角塔、耐張塔和終端塔等。不同塔型的受力特點亦互不相同。相對而言，轉角塔和耐張塔的受力條件相對比較苛刻［4，5］。

雖然在設計階段，轉角塔和耐張塔的結構強度已經比直線塔有所提高。但是，實際故障中，耐張塔和轉角塔的故障比例依然較高。因此，本文主要以耐張塔為例，分析桿塔在風荷載作用下的應力分布特征，分析選用桿塔

塔型為CJ1-30，如圖1所示。

圖1 CJ1-30鐵塔實景

在設計規程中，鐵塔的強度計算一般將其簡化為空間桁架結構，也有的將鐵塔簡化為空間梁結構。為了使模型更加接近實際情況，根據結構中各相鄰桿件之間的連接關系，建立鐵塔的空間桿梁混合結構模型。為了便于問題分析，本文對桿塔附件進行了簡化處理：螺栓簡化為可以傳遞彎矩的剛接點，桿塔基礎簡化為固定約束點，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 桿塔荷載的計算與加載

根據計算需要，桿塔承受的荷載一般可分解為作用在桿塔上的垂直荷載（垂直荷載是垂直于地面方向的荷載）、橫向水平荷載（平行桿塔平面即沿橫擔方向）、縱向水平荷載（垂直桿塔平面即垂直橫擔方向）。風載荷屬橫水平荷載，主要包括：桿塔塔身風荷載；導線、地線、絕緣子串和金具的風荷載。對于各種載荷的計算模型，本文均采用《電力工程高壓送電線路設計手冊》中推薦的計算公式［4，5］。

本文后續分析中對不同荷載采用了不同的加載方式。絕緣子、導線、金具對桿塔的作用（如風荷載、靜張力、動張力、重力等），均等效為力加載在桿塔的對應作用點位置，即導線與桿塔的連接處。桿塔本身荷載（如重力、風荷載等）等效施加于桿塔各桿件處：重力施加于各個單元；風荷載按水平方向風對桿塔的風壓效果，簡化至主材迎風面的節點上。

3 不同條件下桿塔的應力分布

3.1 無風條件下桿塔其他荷載單獨作用

單獨施加靜垂直荷載（包括導地線、金具、桿塔等所有附件的總重量），確定在無風條件下桿塔的應力分布情況。圖3所示為線路覆冰工況下CJ1-30桿塔在靜垂直荷載作用下的應力分布。從圖3中可知，僅考慮重力荷載時（無風條件下），桿塔桿件的最大拉應力發生在橫擔側面靠近塔身的斜材處。當風速進一步增大時，該位置將成為桿塔結構首先破壞的危險點。

圖3 靜垂直荷載單獨作用的應力

3.2 風荷載單獨作用

為討論風荷載的作用，先不考慮靜垂直荷載作用，按垂直線路方向（線路方向與風方向夾角為90°）加載5、10、20、30m/s 4種風荷載，CJ1-30桿塔的風荷載響應如圖4、5所示。

圖4 風速30m/s時桿塔的正應力

圖5 風速的方與最大正應力的關系

通過綜合對比分析發現，風荷載單獨作用時，風速與最大應力和最大位移呈現非線性化特征。風速的變化不影響桿塔的應力分布；在設計風速范圍內（小于30m/s），不同風速作用時桿塔的應力分布圖具有相同的特征，最大應力點相同。桿塔的最大拉應力與最大壓應力水平相當，均出現在桿塔的主材的坡面過渡位置。當風速進一步增大時，主材的坡面過渡位置將成為桿塔結構首先破壞的危險點。

3.3 靜垂直荷載和風荷載同時作用

當同時考慮靜垂直荷載和風荷載作用時，實際上相當于模擬正常運行條件下導線的風荷載響應情況，其結果如圖6、7所示。

通過分析發現，不同風速作用時桿塔的應力分布不同，桿塔的最大應力與風速之間無特征規律。最大應力的出現位置具有如下特征：當風速較小時，最大應力主要由靜垂直荷載決定，出現位置與單獨靜垂直荷載作用時相同；當風速較大時，最大應力由靜垂直荷載和風荷載同時作用，出現位置同時包含單獨靜垂直荷載作用時對應的位置及風荷載單獨作用時對應的位置。桿塔的最大拉應力與最大壓應力均出現在桿塔的主材的坡面過渡位置。當風速進一步增大時，主材的坡面過渡位置將成為桿塔結構首先破壞的危險點。

4 結語

通過分析發現，當風速較小時，最大應力主要由靜垂直荷載決定，出現位置為橫擔側面靠近塔身的斜材處與單獨靜垂直荷載作用時相同（橫擔側面靠近塔身的斜材處）；當風速較大時，最大應力由靜垂直荷載和風荷載同時作用，出現位置同時包含單獨靜垂直荷載作用時對應的位置及風荷載單獨作用時對應的位置（桿塔的主材的坡面過渡位置）。

圖6 風速30m/s時桿塔的正應力

圖7 不同風速時桿塔的最大正應力

針對風荷載作用下輸電桿塔的應力分布特征，建議電網運行單位在輸電桿塔的年度檢修中應重點檢查橫擔側面靠近塔身的斜材處和主材坡面過渡區域，檢查桿件是否變形，螺栓是否存現滑移和松動。

［1］國家電網公司運維檢修部組.輸電線路六防工作手冊：防風害［M］.北京：中國電力出版社，2015.

［2］胡毅.輸電線路運行故障分析與防治［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］謝強，張勇，李杰.華北電網500kV任上5237線颮線風致倒塔事故調查分［J］.電網技術，2006（10）：59-63.

［4］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［5］邵天曉.架空送電線路的電線力學計算［M］.北京：中國電力出版社，2003.

The Stress Distribution Characteristics of Transmission Tower under the Action of Wind Load

Zhang Bo1Ma Jie2Li Mengli1Ai Wenjun1Liu Bo1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052；2.Economic and Technical Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou Henan 450052）

The wind-induced disaster is one of the important cause of transmission tower failure.It has an important role and significance for the prevention of transmission tower wind to study the stress distribution characteristics of transmission tower under the action of wind load,to understand the mechanism of transmission tower failure caused by the wind.Based on this,taking the typical 500kV transmission tower with CJ1-30 type as an example,the stress distribution characteristics of transmission tower under the action of wind load were analyzed by setting up the analyt?ical model of finite unit.Then the stress distribution characteristics of transmission tower are analyzed under the con?dition of different wind load.The results showed that the transition point of the slope of tower advocate material was the weak spot of structure stress,and it was suggested that the transition point of the slope of tower advocate material should be pay more attention in the annual maintenance and repair of grid operation units.

wind load；transmission tower；stress distribution

TM753

A

1003-5168（2016）10-0135-03

2016-09-05

張博（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：輸電線路運維技術、輸電線路舞動防治技術。