輸電鋼管桿加掛通信天線后結構安全裕度評價

陳旸羚李維吳桐

(1.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京210019；2.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京210019)

0 引言

隨著國家大力提倡移動網絡發展，加快了移動通信基礎設施的建設，特別是5G 時代的到來，通信基站的需求量將成倍增加[1]。同時，電力無線專網也得到了加速發展[2]，2018年國家電網公司工作會議提出“擴大電力無線專網試點及業務應用”的工作要求，無線專網建設發展成為國網戰略。江蘇公司作為首批試點單位，2018年已新增基站270 座，接入終端約有4萬個，總投資約為23 250萬元。

為了響應國家“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念[3]，結合國家電網公司的桿塔資源，利用現有輸電桿塔加掛通信天線，不僅可以快速實現運營商移動網絡建設，降低建站成本，而且能同時滿足無線專網的建設要求[4]。英國運營商EE、Vodafone 和Orange均已在電力塔上掛載設備，日本移動運營商樂天移動通信宣布與電力公司深度合作，提高資本投資效率。云南鐵塔和南方電網云南分公司合作完成了國內首座110 kV高壓電力鐵塔加掛通信基站。2018年，電力國網多個省公司與當地省鐵塔公司簽署戰略合作協議，合作推廣輸電線路鐵塔附掛通信基站應用工作。

輸電桿塔的結構安全是決定能否加掛通信天線的先決條件，通過有限元分析軟件對現有輸電桿塔進行加載分析，是判斷桿塔安全性的有效手段。龔靖等[5]利用有限元軟件ANSYS對220 kV雙回路緊湊型轉角塔建立梁—桁混合模型，按真型試驗方案進行加載并求解靜力，仿真出的結果與實際中得到的鐵塔構件位移值和應力結果對比，判斷所建模型是否可靠。楊風利等[6]利用軟件ANSYS建立1 000 kV特高壓輸電桿塔有限元模型，對采礦區桿塔發生沉降、位移、傾斜后，分析其桿件內力變化，確定不同工況下的基礎變形值。韓楓[7]對特高壓輸電桿塔體系建模，分析其抗風可靠度。王飛等[8]利用道亨有限元軟件對酒杯型鐵塔進行地震反應譜分析，發現特高壓酒杯型鐵塔建立在8度以上地區時，需要進行抗震驗算，對于不滿足抗震要求的桿件，需要進行相應的加強。王身麗等[9]通過軟件ANSYS針對輸電線路桿塔的靜力特性進行了有限元分析，比較準確地得出了各種情況下的塔體受力情況，為鐵塔設計、風險預防提供了可靠依據。張宏杰等[10]通過對臺風行進過程中風場變化，分析了桿塔受力隨臺風遷徙的變化規律，并且給出了桿塔抗臺風設計應當預留的安全裕度。

因此，評價輸電桿塔加掛通信天線后的結構安全裕度有著至關重要的意義。但若對每一基桿塔單獨建模驗算加掛可行性，則耗時費力。文章利用輸電桿塔結構安全裕度的概念，有限元建模了單條輸電線路中具有特征性的輸電桿塔，分析其加掛通信天線前后的桿塔結構受力特性及安全裕度變化。采用有限元建模對比分析結果數據，繪制安全評定曲線，可為通信天線快速上量提供理論基礎，大幅減少復核工作量。

1 輸電鋼管桿加掛通信天線荷載計算

1.1 輸電桿塔塔型選擇

目前，輸電桿塔作為國網公司的電力基礎設施，形式多種多樣，按主材類型可分為角鋼塔、鋼管塔、鋼管桿和水泥桿；按電壓等級可分為10、35、66、110、220、500、750 kV等；按電流類型分為交流傳輸和直流傳輸；按桿塔線路位置分為直線塔、轉角塔、終端塔。

(1)考慮通信覆蓋區域主要集中在城區，而城區的輸電桿塔主要以鋼管桿及水泥桿為主。(2)為了保證天線基本掛高，考慮電磁干擾、電力安全距離等影響，優先使用高電壓等級、高呼高的鋼管桿。因此，優先考慮市區內110、220 kV的鋼管桿資源[11]。

文章選取江蘇省網2E2模塊鋼管桿。2E2模塊為海拔＜1 000 m、設計基本風速為28 m/s、導線為2×LGJ-400/35的雙回路鋼管桿。2E2模塊的直線桿為3桿系列、耐張桿為4桿系列、終端兼分支桿1種，共計8種桿型。文章選取常見的直線桿1種、耐張桿4 種、終端桿1種進行分析。

2E2模塊的氣象條件見表1。2E2 模塊的導地線型號及參數見表2。

模塊中包含不同呼高、不同水平檔距、不同垂直檔距的各類塔型，選取最大檔距和呼高的6種鐵塔進行分析，如圖1所示。

表1 2E2 模塊的氣象條件表

表2 2E2模塊的導、地線型號及參數表

圖1 2E2 模塊6 種塔型圖/mm

1.2 輸電桿塔荷載計算

鋼管桿承受的荷載一般分解為橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載3種。直線輸電桿塔，耐張、轉角型桿塔應計算正常運行、斷線和安裝情況下的荷載組合，必要時應驗算重冰區不均勻覆冰等特殊情況。其中，主要荷載為橫向荷載和縱向荷載。風荷載又是構成橫向荷載和縱向荷載的重要組成部分。

1.2.1 線路荷載

計算時參考DLT 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》[12]和DLT 5130—2001《架空送電線路鋼管桿設計技術規定》[13]等相關規定。

導線及地線風荷載標準值的計算公式由式(1)和(2)表示為

式中：Wx為垂直于導線及地線方向的水平風荷載標準值，kN；α為風壓不均勻系數，根據設計基準風速，查表取值；μz為風壓高度變化系數；μSC為導線或地線的體型系數；d為導線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑，分裂導線取所有子導線外徑的總和，m；LP為桿的水平檔距，m；θ為風向與導線或地線方向之間的夾角，°；W0為基準風壓標準值，kN/m2；V為基準高度的風速，m/s。

1.2.2 桿身風荷載

桿身風荷載的標準值計算由式(3)表示為

式中：Ws為作用在桿身單位長度上的風荷載標準值，kN/m；μs為風荷載體型系數；βz為桿身風荷載調整系數；D為桿身直徑的平均值，m。

1.2.3 絕緣子串風荷載

絕緣子串風荷載的標準值計算由式(4)表示為

式中：W1為絕緣子串風荷載標準值，kN；A1為絕緣子串承受風壓面積計算值，m2。

1.2.4 通信天線荷載

對于加掛的通信天線，連接方式是由抱桿及雙抱箍固定于塔身上，雙抱箍與塔身接觸點間間距較小，一般為0.5～1 m，因此作用在塔身上的通信天線荷載可簡化為集中荷載。移動通信工程中風荷載重現期為50 年[14]，而＜500 kV輸電桿塔風荷載重現期為30 年。為了保持計算角度一致性，將通信風荷載重現期轉化為30年重現期風荷載。由于兩者設計使用年限存在差距，若輸電桿塔已達到設計使用年限，可進行全塔檢測，安全評估后可延長其使用年限。

通信天線風荷載的標準值計算由式(5)表示為

式中：Wk為天線及抱桿支臂風荷載標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數；W30為30 年重現周期基本風壓，kN/m2。

GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[15]中第n年重現期的基本風壓Wn由式(6)表示為式中：W10及W100分別為10、100 年重現周期基本風壓，kN/m2；R為重現周期，年。

將R＝30代入式(6)，可得到30年重現期的基本風壓值W30。

1.3 2E2模塊桿塔荷載計算

利用道亨滿應力設計軟件，以2E2-SZG1-42桿為例，輸入桿塔水平檔距、垂直檔距、氣象資料等信息，軟件自動生成桿身荷載，輸入不同工況下的節點荷載，見表3。

表3 直線塔2E2-SZG1-42荷載表/N

根據表3可知，導地線的安裝正吊相工況為最大垂直荷載，導地線的風荷載大風90°工況為最大水平風荷載。其他5種桿塔的荷載情況與本直線塔一致，安裝正吊相工況為最大垂直荷載。

2 2E2模塊鋼管桿有限元分析

2.1 桿塔有限元軟件建模

利用道亨滿應力設計軟件，對江蘇省省網鋼管桿2E2 模塊進行三維有限元建模，采用“積木式”塔型快速輸入模塊建模[16]。

2.2 桿塔應力計算分析

DL 5009.2—2013《電力建設安全工作規程 第2部分：電力線路》[17]規定作業人員或機械器具與帶電線路風險控制距離要≥8 m，故將呼高下8 m作為天線加掛點。

將加載類型按照通信天線數量和掛載高度分為6類，見表4。

表4 天線掛載類型表

分別對6種塔型進行有限元建模計算，得到其桿件應力數據。通信天線加掛工況依次采用表4中加掛順序得到各天線加載工況下桿塔的桿段應力包絡曲線。

以直線塔SZG1-42為例，在最大控制工況下各桿段包絡應力表現如圖2 所示。桿段編號1 ～5分別對應塔身主桿第1到第5段。在A加載工況下，最大應力值出現在桿段4，其值為262.19 MPa。隨著加載荷載工況不斷增大，最大應力桿段不斷下移。在F加載工況下，最大應力桿件已經變為第2段，最大應力值為293.429 MPa，已接近材料設計強度295 MPa。相比于A 工況，其值增加了31.2 MPa，占比11.9%，變化較為明顯。由于通信荷載加載點位均在4、5桿件以下，對2 桿件不產生附加彎矩和軸力，因此，4、5桿件在所有工況下的應力數值基本一致。編號6 ～13桿段為塔身橫擔，在最大控制工況(斷線)下普遍較小，均≤200 MPa。

以耐張轉角塔SJG1-36為例，在最大控制工況下各桿件應力表現如圖3所示。在A加載工況下，最大應力值出現在桿段3，其值為234.74 MPa。隨著加載荷載工況不斷增大，桿段1的應力逐漸增大至與桿段3一致，在F 加載工況下，最大應力桿件已經變為第1、3段，應力值分別為244.882、244.902 MPa，2 桿件應力值為240.557 MPa。4、5桿件在新增通信荷載之上，不產生附加彎矩和軸力，在所有工況下的應力值基本一致。編號6 ～13桿段為塔身橫擔，在最大控制工況(斷線)下普遍較小，均≤125 MPa。轉角塔SJG2-36、SJG3-36、SJG4-36 的桿件應力分布特性基本與SJG1-36一致，F 加載工況下各桿件的應力數據見表5。

圖2 直線塔SZG1-42最大應力計算結果圖

圖3 轉角塔SJG1-36最大應力計算結果圖

表5 F加載工況下各桿件最大包絡應力表/MPa

以耐張終端塔SDJG-36 為例，在最大控制工況下各桿件應力表現如圖4 所示。

在A加載工況下，最大應力值出現在桿段3，其值為189.567 MPa。各工況加載條件下，桿件應力增加不明顯。在F加載工況下，3桿件位置出現應力極大值，達到194.682 MPa。相對于A工況，桿段最大應力值只增加了5 MPa，占比3%。4、5桿件同樣表現基本一致。編號6～13桿段為塔身橫擔，在最大控制工況(單側架線)下普遍較小，均≤130 MPa。

綜合6種鐵塔分析結果，得到其最大桿件包絡綜合應力比數據，對比發現直線塔加掛天線后桿段最大綜合應力提升較為明顯，耐張塔其次，終端塔幾乎無變化。這是由于耐張塔及終端塔本身線路荷載較大，后期新增天線荷載占原有荷載比例很小，對桿件應力貢獻值小，具體結果如圖5所示。

圖4 終端塔SDJG-36最大應力計算結果圖

圖5 6種鋼管桿最大應力比計算結果圖

2.3 桿塔撓度計算分析

桿塔最大位移隨著新增荷載的增加而變大，變化情況如圖6所示。隨著加載工況不斷變化，新增荷載不斷增大，直線塔最大撓度比變化明顯，由A工況的2.756‰增加到F工況的3.816‰，增大了38.5%；耐張型轉角桿塔分別增大了0.318‰、0.318‰、0.318‰、0.212‰；端部耐張塔僅增大0.106‰，變化率不足1%。直線塔總體撓度較小，其限值亦較低；耐張型轉角塔或終端塔撓度大，但其撓度限值是直線塔限值的4倍。所有桿塔在所有工況條件下，其最大撓度比均滿足規范要求。

圖6 6 種鋼管桿最大撓度計算結果圖

3 輸電鋼管桿結構安全裕度評價

3.1 結構安全裕度

我國電力桿塔設計均采用彈性設計，在設計過程中會對結構強度保留一定的安全余量，以抵抗突發的荷載效應，如爆炸、臺風、大面積冰雨等。為確保結構有一定的安全余量，在結構設計時，人為地增加安全裕度的概念[18]，即構件應力比的余量或結構位移比限值的余量，其計算由式(7)表示為

式中：δa 為結構安全裕度；Lmt為結構規定限值；S為構件的最大效應；R為構件的容許抗力。

由于現存運行鋼管桿種類繁多，若對每一基鐵塔進行單獨的結構安全性校核，費時耗力。文章提出針對單條輸電線路上典型的鋼管桿做結構安全裕度分析，對比加載通信天線前后鋼管桿的安全裕度變化值，繪制不同加掛模式下的安全裕度變化曲線，能夠給實際工程提供多種加掛方案選擇。

3.2 桿塔安全裕度分析及安全評價

為了確保鋼管桿在加掛通信天線后能夠滿足安全運行要求，認定其構件最大應力比限值Lmt＝0.95，繪制不同加載條件下的應力安全裕度曲線如圖7(a)所示。同時，認定結構最大撓度限值對于直線塔取Lmt＝5‰，耐張塔取Lmt＝20‰，繪制不同加載條件下的撓度安全裕度曲線[19]如圖7(b)所示。

由圖7(a)可知，3種塔型的初始應力安全裕度為終端塔＞30%、轉角塔＞15%、直線塔僅為10%。由圖7(b)可知，3種塔型的初始撓度安全裕度為終端塔約為12‰、轉角塔＞9‰、直線塔僅為2.25‰。3類塔型的初始設計安全裕度有明顯的區分，即終端塔作為整條輸電線路終端，初始線路荷載大，自身安全裕度明顯大于其他兩類桿塔；直線塔作為線路中占比最多的類型，從經濟性角度考慮，初始安全裕度最低；4 種轉角塔初始安全裕度介于兩種塔型之間。

在E、F 工況加載條件下，直線塔的應力安全裕度已經下降到安全紅線下，已不符合結構安全要求。其余塔型在5種通信天線加掛形式下應力及撓度安全裕度均大于規范要求。

圖7 輸電桿塔安全裕度曲線圖

4 結論

通過上述研究得到如下結論：

(1)220 kV江蘇省省網輸電鋼管桿2E2 模塊經有限元建模分析具有加掛移動通信天線可行性。其中直線塔2E2-SZG1-42 最多可以在呼高下8 m加掛6付通信天線；耐張型轉角塔及終端塔可以在呼高下8 m及呼高下11 m各加掛6 付通信天線，且還有一定的安全裕度。

(2)江蘇省省網輸電鋼管桿2E2 模塊中初始安全裕度由高到低依次為終端塔、轉角塔、直線塔，是由輸電桿塔重要性、經濟性多重因素決定的。因此，在考慮桿塔加掛移動通信天線時，可以優先選擇線路終端塔或轉角塔作為掛載鐵塔。