一起ZS型鐵塔倒伏案例分析

張建國,張廼龍,李成鋼

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

近年來，輸電線路遭受強(qiáng)風(fēng)影響的問題受到廣泛關(guān)注，在強(qiáng)風(fēng)作用下倒塔的事故在沿海地區(qū)時有發(fā)生[1-2]，強(qiáng)風(fēng)雷暴對中國輸電線路的危害呈現(xiàn)出頻次增加、程度增大趨勢[3]。目前輸電鐵塔的可靠性一方面是靠合理的設(shè)計(jì)、正確的施工來保障，另一方面則是靠投入應(yīng)用后的維護(hù)，合理的維護(hù)、強(qiáng)風(fēng)預(yù)警[4]對輸電鐵塔的耐用性、安全性有著重要影響。

2016年8月，東南某地區(qū)局部遭遇強(qiáng)風(fēng)雷暴襲擊，致使某110kV線路#25、#26、#27三基直線塔倒伏。該線路于2002年5月14日投入運(yùn)行，線路長度7.439km，導(dǎo)線為LGJ-240/30，地線為GJ-50，#25、#26為ZS-36直線塔，#27為ZS-40直線鐵，#24～#25實(shí)際檔距為287m，#25～#26實(shí)際檔距為233m，#26～#27實(shí)際檔距為179m，#22～#28塔為同一個耐張段。

本文調(diào)研倒塔現(xiàn)場、分析氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到現(xiàn)場最大風(fēng)速為29m/s，超過鐵塔設(shè)計(jì)風(fēng)速；對鐵塔彎折部位桿件尺寸、材質(zhì)及力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測分析，其結(jié)果滿足鐵塔設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求；校核了鐵塔彎折處主材在設(shè)計(jì)風(fēng)速下的受力，該處為鐵塔抗強(qiáng)風(fēng)的薄弱環(huán)節(jié)。通過上述分析明確了造成此次倒塔故障的主要原因，為分析同類故障提供了參考，并提出了降低此類故障發(fā)生風(fēng)險的合理化建議。

1 現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，故障線路#25、#26、#27三基鐵塔折倒。周圍多處工棚、彩鋼瓦被風(fēng)吹起、倒塌。檢查發(fā)現(xiàn)#25～#27鐵塔均在下橫擔(dān)下側(cè)第三段發(fā)生彎折，如圖1，2所示。

圖1 #25塔倒塔現(xiàn)場照片

圖2 #27塔倒塔現(xiàn)場照片

鐵塔總高、彎折高度及材質(zhì)分析現(xiàn)場取樣情況見表1。

表1 鐵塔高、彎折高度及取樣情況

2 氣象數(shù)據(jù)分析

故障地區(qū)氣象站測得20.3m/s的大風(fēng)，風(fēng)向?yàn)槟系綎|南風(fēng)，自動站極大風(fēng)速達(dá)26.2m/s，風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)，故障區(qū)域臨近自動站極大風(fēng)速達(dá)28.1m/s，風(fēng)向?yàn)槟系轿髂巷L(fēng)。圖3～4為14:48:13和14:54:02的雷達(dá)回波圖。根據(jù)雷達(dá)回波推算，在倒塔發(fā)生地的20m高度處，極大風(fēng)速可達(dá)29m/s。

圖3 14:48:13氣象雷達(dá)圖

圖4 14:54:02氣象雷達(dá)圖

3 鐵塔桿件試驗(yàn)分析

對#25～#27塔彎折部位附近取角鋼主材樣品，在實(shí)驗(yàn)室里對角鋼尺寸、材質(zhì)化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行檢測試驗(yàn)，判斷塔材的尺寸和性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。樣品情況如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)分析桿件

3.1 塔材尺寸測量

現(xiàn)場取回的塔材(角鋼)尺寸符合GB/T 706—2008《熱軋型鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，也與設(shè)計(jì)尺寸相符，結(jié)果見表2。

表2 試樣尺寸測量結(jié)果 mm

3.2 材質(zhì)分析

對塔材樣品采用直讀光譜分析儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果顯示，#25、#27試樣的主要元素含量均符合GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求(設(shè)計(jì)圖紙材質(zhì)為16Mn，現(xiàn)替代牌號為Q345)，#26試樣的主要元素含量均符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求(設(shè)計(jì)圖紙材質(zhì)為A3F，現(xiàn)替代牌號為Q235)，見表3。

表3 材質(zhì)成分分析結(jié)果 %

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

將鐵塔樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)樣后進(jìn)行拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，各試樣的性能指標(biāo)均符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》及GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，見表4。

表4 材料拉伸性能檢測結(jié)果

4 鐵塔強(qiáng)度校核

本文對呼高36m的鐵塔開展風(fēng)災(zāi)害下的受力校核，校核計(jì)算條件：地線為GJ-50，導(dǎo)線為LGJ-240/30，垂直檔距LV=300m，水平檔距LH=350m，風(fēng)速V=25m/s。校核規(guī)程：2002年工程按SDGJ94-1990規(guī)程[5]計(jì)算。

4.1 導(dǎo)地線荷載計(jì)算

導(dǎo)地線風(fēng)荷載WX計(jì)算公式如下：

WX=K2·α·C·d·Lp·V2/1 600·sin2θ

式中：K2為風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)，取1.426 7；α為風(fēng)壓不均勻檔距折減系數(shù)，取0.85；C為體型系數(shù)，與線徑相關(guān)，地線取1.2，導(dǎo)線取1.1；d為導(dǎo)地線直徑；Lp為水平檔距；θ為風(fēng)向角，取90°。

由計(jì)算可得，地線風(fēng)荷載Wt=1.535kN；導(dǎo)線風(fēng)荷載Wm=3.377kN；地線自重Gt=120kg；導(dǎo)線自重Gm=277kg。

4.2 鐵塔風(fēng)荷載計(jì)算

塔身風(fēng)荷載WS計(jì)算公式如下：

WS=KZ·KT·C·F·V2/1 600

式中：KZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，塔段高度為40～50m時取1.46，塔段高度為30～40m時取1.37，塔段高度為0～30m時取1.25；C=1.4×(1+η)，其中η為塔架背風(fēng)面風(fēng)荷載降低系數(shù)，對塔頭部分η=0.66，對塔身部分η=0.85；KT為風(fēng)壓高度調(diào)整系數(shù)；F為擋風(fēng)面積。

根據(jù)塔身風(fēng)壓分段情況、鐵塔填充系數(shù)及擋風(fēng)面積即可求得鐵塔風(fēng)荷載。

4.3 主材強(qiáng)度校核

根據(jù)靜定平面桁架內(nèi)力分析法，可得鐵塔主材內(nèi)力U計(jì)算公式為

式中：G為包含自重在內(nèi)的豎向荷載；W為包含風(fēng)荷載在內(nèi)的橫向荷載；h為橫向荷載力臂。

塔腿主材內(nèi)力U40：

主材為16Mn，材料允許應(yīng)力為230MPa，規(guī)格為100mm×10mm，桿件截面積A=19.24cm2，回轉(zhuǎn)半徑γg=1.96mm，計(jì)算長度l0=105，長細(xì)比λ=53.57，根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑及長細(xì)比查SDGJ94—1990規(guī)程可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.816，N為桿件軸向壓力。

主材應(yīng)力σ：

由此可知，塔腿主材應(yīng)力σ占材料允許應(yīng)力的56%。

塔段7主材內(nèi)力U7：

塔段7主材為16Mn，規(guī)格75mm×5mm，桿件截面積A=7.385cm2，回轉(zhuǎn)半徑γx=2.31，計(jì)算長度l0=150，長細(xì)比λ=65，查SDGJ94—1990規(guī)程可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.745。

主材應(yīng)力：

由此可知，塔段7主材應(yīng)力σ為材料允許應(yīng)力的96%。

綜上所述，通過對ZS-36型鐵塔進(jìn)行風(fēng)災(zāi)害強(qiáng)度校核可知，發(fā)生彎折的塔段7在設(shè)計(jì)風(fēng)速下的應(yīng)力為材料許用應(yīng)力的96%，安全裕度最小，抗強(qiáng)風(fēng)能力最弱。

5 結(jié)論和建議

本文通過現(xiàn)場檢查、氣象數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)室分析及受力校核計(jì)算等方面確定了倒塔的主要原因，得到如下結(jié)論：

1)鐵塔折彎部位的角鋼尺寸、材質(zhì)化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)圖紙要求。

2)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)推算表明，現(xiàn)場出現(xiàn)的最大風(fēng)速為29m/s，超出鐵塔的設(shè)計(jì)風(fēng)速，是導(dǎo)致倒塔的主要原因。

3)經(jīng)強(qiáng)度校核，在設(shè)計(jì)風(fēng)速下，發(fā)生彎折的塔段7主材應(yīng)力值為材料許用應(yīng)力的96%，抗強(qiáng)風(fēng)能力最弱，因此在該部位發(fā)生折彎。

因此，建議對危險度較大的跨越線路進(jìn)行校驗(yàn)，包括耐張段設(shè)置、桿塔抗風(fēng)能力驗(yàn)算，對不滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)范的跨越線路進(jìn)行改造或加固。加強(qiáng)極端災(zāi)害天氣的預(yù)警，提前做好應(yīng)急搶險準(zhǔn)備，降低電網(wǎng)事故的影響范圍。