某500 kV 架空老舊線路拉V 塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

馮超，喬磊，李偉，曹先慧，岳一石

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修公司，湖南衡陽421000；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司，湖南衡陽421000；4. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長沙410004)

0 引言

老舊輸電線路鐵塔由于當(dāng)時的設(shè)計規(guī)范荷載取值標(biāo)準(zhǔn)低、計算條件限制, 結(jié)構(gòu)分析都依靠簡化后的平面桁架通過人工計算來完成, 且荷載工況僅憑既有經(jīng)驗(yàn)來選取[1-4], 結(jié)構(gòu)可靠性相對較低。近年來, 隨著環(huán)境條件的惡化、災(zāi)害性天氣增多[5-9],鐵塔受力條件發(fā)生改變, 材質(zhì)及防腐等問題導(dǎo)致的線路隱患問題較多[10-15]。同時, 調(diào)查發(fā)現(xiàn)多起倒塔事故均是塔型設(shè)計缺陷、塔型結(jié)構(gòu)使用不合理等引起, 如某220 kV ZM3-30 拉門塔由于基礎(chǔ)定位短筋設(shè)計不合理而在風(fēng)振中倒塔[16], 某500 kV 拉V塔也出現(xiàn)過橫擔(dān)與主柱聯(lián)板變形故障[17]等。因此,亟需開展老舊典型鐵塔安全評估校核, 對在役輸電鐵塔進(jìn)行風(fēng)險評級, 制定針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。

1 塔線模型建立

1.1 三維塔線結(jié)構(gòu)建模

選取ZV22-33 m 型拉V 塔進(jìn)行典型工況設(shè)計校核, 先依托solidworks 軟件建立輸電塔三維線條模型, 再將三維模型導(dǎo)入到hypermesh 有限元軟件中建立輸電塔有限元模型, 之后導(dǎo)出到ANSYS 分析軟件進(jìn)行計算, 如圖1 所示。

圖1 軟件分析模型

1.2 參數(shù)配置

根據(jù)該線路臺帳信息, ZV22-24-33 m 型拉V 塔檔距最大的樁號為C51 的桿塔, 受力最大, 其水平檔距為421 m, 垂直檔距為410 m, 導(dǎo)線的型號為LGJQ-4×300 (1) 10, 地線的型號為1×19-11-1270-A-YB/T 183-2000, 導(dǎo)線絕緣子串金具組裝型號為3DX-1, 地線絕緣子串金具組裝型號為2BX-1。同時, 該線路處于湖南境內(nèi), 氣象條件對應(yīng)典型氣候區(qū)V, 基本風(fēng)速為25 m/s, 覆冰厚度為10 mm。

2 載荷加載方法

2.1 塔身風(fēng)載荷

將塔身分成8 段, 分別選取和計算各段的風(fēng)載荷系數(shù), 最后計算出每段的風(fēng)載荷具體數(shù)值。依據(jù)DL/T 5551-2018 要求, 桿塔風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按公式 (1) 計算:

式中,W0為基本風(fēng)壓；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μs為構(gòu)件體型系數(shù)；βz為高度z 處的桿塔風(fēng)振系數(shù)；B2為桿塔構(gòu)件覆冰風(fēng)載荷增大系數(shù)；As為迎面風(fēng)構(gòu)件的投影面積計算值。

2.2 導(dǎo)、地線風(fēng)載荷

導(dǎo)線及地線、跳線風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按公式(2) 計算:

式中,βC為導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)；αL為檔距折減系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μSC為構(gòu)件體型系數(shù)；d為導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑；LP為桿塔的水平檔距；B1為導(dǎo)、地線覆冰風(fēng)載荷增大系數(shù)；θ為迎面風(fēng)構(gòu)件的投影面積計算值。

2.3 絕緣子串風(fēng)載荷

絕緣子串的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按公式 (3)計算:

式中,n為垂直風(fēng)向絕緣子聯(lián)數(shù)；λ1為順風(fēng)向絕緣子串風(fēng)載荷屏蔽折減系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μS1為絕緣子串體型系數(shù)；B3為絕緣子串覆冰風(fēng)載荷增大系數(shù)；A1為單聯(lián)絕緣子串承受風(fēng)壓面積計算值。

2.4 覆冰載荷

在有冰情況下, 各類荷載取值均應(yīng)計入覆冰的影響, 冰荷載的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按公式 (4) 計算:

式中,nS為導(dǎo)線分裂數(shù)；g為峰值因子；ρ1為冰密度；c為設(shè)計冰厚；d為導(dǎo)線或地線的外徑或覆冰時的計算外徑；LV為覆冰時的桿塔垂直檔距。

2.5 導(dǎo)、地線張力

依據(jù) DL/T 5551-2018 和 DL/T 5154-2012 等標(biāo)準(zhǔn)的要求, 兩分裂導(dǎo)線的斷線張力 (不平衡張力) 對平地及山地線路分別應(yīng)取一根導(dǎo)線最大使用張力的40%及50%；兩分裂以上導(dǎo)線的縱向不平衡張力, 分別取一相導(dǎo)線最大使用張力的15%、20%及25%且不小于20 kN。對于500 kV 拉線鐵塔, 地線斷線張力取最大使用張力的40%。

3 典型工況安全性評估

3.1 工況選擇

根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求, 并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況, 對典型工況進(jìn)行設(shè)計校核: ①設(shè)計大風(fēng)工況 (風(fēng)速v＝25 m/s)；②設(shè)計覆冰工況 (風(fēng)速v＝ 10 m/s,冰厚10 mm)；③斷線工況；④斷拉線工況。

3.2 設(shè)計大風(fēng)工況

根據(jù)規(guī)范的要求, 在設(shè)計大風(fēng)工況計算時, 需要對桿塔進(jìn)行與線路方向成 0°、45 ° (或 60 °) 及90 °角的3 種基本風(fēng)速的風(fēng)向的計算。當(dāng)90 °風(fēng)向時, 受力最大, 此工況下, 桿塔受恒載作用: ①桿塔重力；②導(dǎo)、地線重力；③絕緣子串重力；④金具、防震錘重力。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.2, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。受活載作用: ①桿塔所受風(fēng)載荷；②導(dǎo)、地線所受風(fēng)載荷；③絕緣子串所受風(fēng)載荷。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.4, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。

拉V 塔最大應(yīng)力為205.8 MPa, 位于橫擔(dān)與地線支架連接處的主材上, 材質(zhì)為Q355, 其許用應(yīng)力為315 MPa, 所以最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力, 強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。拉 V 塔最大位移為156.12 mm, 位于橫擔(dān)導(dǎo)線懸掛點(diǎn)位置, 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 中規(guī)定容許撓度值為L/250, 由于拉V塔最大位移小于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm,其中L為拉 V 塔的總高度, 所以剛度滿足設(shè)計要求。

3.3 設(shè)計覆冰工況

在此工況下, 桿塔受恒載作用: ①桿塔重力；②導(dǎo)、地線重力；③絕緣子串重力；④金具、防震錘重力。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.2, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。受活載作用: ①桿塔所受風(fēng)載荷；②導(dǎo)、地線所受風(fēng)載荷；③絕緣子串所受風(fēng)載荷；④導(dǎo)、地線覆冰載荷；⑤絕緣子串、金具覆冰載荷。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.4, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。

拉V 塔最大應(yīng)力為124.456 MPa, 位于橫擔(dān)與地線支架連接處的主材上, 最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力315 MPa, 強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。輸電塔最大位移為 40.32 mm, 位于支腿中部位置, 小于L/250＝39 200/250＝156.8 mm, 剛度滿足設(shè)計要求。

3.4 斷導(dǎo)線工況

3.4.1 斷兩側(cè)的一相導(dǎo)線、地線未斷

在此工況下, 桿塔受恒載作用: ①桿塔重力；②導(dǎo)、地線重力；③絕緣子串重力；④金具、防震錘重力。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.2, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。受活載作用: ①一側(cè)導(dǎo)線的張力；②導(dǎo)、地線所受風(fēng)載荷；③絕緣子串所受風(fēng)載荷；④導(dǎo)、地線覆冰載荷；⑤絕緣子串、金具覆冰載荷。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.4, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。

導(dǎo)線的額定抗拉力為82 kN, 使用安全系數(shù)取2.5, 所以導(dǎo)線的最大使用張力為32.8 kN。導(dǎo)線為四分裂導(dǎo)線, 取四分裂導(dǎo)線中一根子導(dǎo)線斷線時的斷線張力為導(dǎo)線的斷線張力, 每一根子導(dǎo)線的最大使用張力為32.8 kN, 取系數(shù)0.25, 由于32.8×0.25 ＝8.125 kN, 小于20 kN, 所以導(dǎo)線的斷線張力取20 kN, 斷線張力加載在斷線位置, 方向?yàn)轫樉€路方向。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.26, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。

拉V 塔最大應(yīng)力為449.158 MPa, 位置為塔身最下段的斜材, 最大應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力315 MPa, 其結(jié)構(gòu)已失效, 不滿足設(shè)計要求, 需要在此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)。拉 V 塔最大位移為453.592 mm, 位于橫擔(dān)斷線位置, 大于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm, 剛度不滿足設(shè)計要求。

3.4.2 斷中間的一相導(dǎo)線、地線未斷

在此工況下, 桿塔受恒載作用: ①桿塔重力；②導(dǎo)、地線重力；③絕緣子串重力；④金具、防震錘重力。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.2, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。受活載作用: 中間導(dǎo)線的張力(20 kN, 加載在斷線位置, 順線路方向)。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.26, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。

拉V 塔最大應(yīng)力為75.533 MPa, 位于橫擔(dān)中間位置的主材上, 最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力315 MPa, 強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。拉V 塔最大位移為29.58 mm, 位于地線支架最頂端, 小于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm, 剛度滿足設(shè)計要求。

3.4.3 斷任意一根地線, 導(dǎo)線未斷

在此工況下, 桿塔受恒載作用: ①桿塔重力；②導(dǎo)、地線重力；③絕緣子串重力；④金具、防震錘重力。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.2, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。受活載作用: ①導(dǎo)、地線覆冰載荷；②絕緣子串、金具覆冰載荷；③一根地線的張力。

地線的額定抗拉力為82.55 kN, 使用安全系數(shù)取3, 所以導(dǎo)線的最大使用張力為27.5 kN, 取系數(shù)40%, 所以地線的斷線張力取11 kN, 斷線張力加載在斷線位置, 方向?yàn)轫樉€路方向。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.26, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0。

拉V 塔最大應(yīng)力為128.78 MPa, 位于支腿最底端, 最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力315 MPa, 強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。拉V 塔最大位移為144.036 mm,位于橫擔(dān)懸掛導(dǎo)線的位置, 小于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm, 剛度滿足設(shè)計要求。

3.5 斷拉線工況

斷一根拉線時, 此工況下, 桿塔受恒載作用:①桿塔重力；②導(dǎo)、地線重力；③絕緣子串重力；④金具、防震錘重力。計算應(yīng)力時載荷系數(shù)取1.2, 計算位移時載荷系數(shù)取1.0；無活載。

拉V 塔最大應(yīng)力為130.471 MPa, 位于橫擔(dān)上安裝拉線的位置, 最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力315 MPa, 強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。輸電塔最大位移為224.468 mm, 位于橫擔(dān)懸掛導(dǎo)線的位置, 大于L/250 ＝39 200/250 ＝ 156.8 mm, 剛度不滿足設(shè)計要求。經(jīng)綜合分析, 無需局部補(bǔ)強(qiáng)可滿足安全運(yùn)行要求。

4 局部補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計

在斷兩側(cè)的一相導(dǎo)線、地線未斷時, 塔身最下部的斜材已不能滿足強(qiáng)度要求, 其型號為L40×4角鋼, 材料牌號為Q355。經(jīng)過設(shè)計校核, 僅需對兩根斜材進(jìn)行局部加強(qiáng) (如圖2 所示)。補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計校核結(jié)果表明, 將原型號斜材更換為L80×6 即可滿足塔線結(jié)構(gòu)斷線工況下的安全運(yùn)行要求。

圖2 局部補(bǔ)強(qiáng)示意圖

5 結(jié)語

依據(jù)塔型設(shè)計規(guī)范, 對某500 kV 架空線路拉V 塔的幾種典型工況開展設(shè)計校核, 在此基礎(chǔ)上對未滿足強(qiáng)度和剛度要求的情況設(shè)計優(yōu)化, 得出以下結(jié)論:

1) 在斷線工況 (斷兩側(cè)一相導(dǎo)線)、斷拉線工況這兩種工況下強(qiáng)度和 (或) 剛度不滿足設(shè)計要求。僅需在斷兩側(cè)一相導(dǎo)線時, 對塔線結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。

2) 通過將塔身底部的斜材由L40×4 角鋼更換為L80×6 角鋼, 即可實(shí)現(xiàn)塔線結(jié)果的局部加強(qiáng),滿足斷線工況下的安全運(yùn)行要求。