架空輸電鐵塔塔身段高度對塔腿承載穩定性的影響分析

張 輝，沈佳良，熊建平，李和豐

(國網湖州供電公司，浙江 湖州 313005)

隨著社會高速發展和人民生活水平提升，工商業和居民用電量不斷增加，使高壓輸電線路網絡不斷擴張，架空輸電鐵塔星羅棋布[1-2]。為了使電力網絡安全可靠運行及避免桿塔倒塌和串倒事故，對架空輸電鐵塔的塔腿承載穩定性進行分析。塔腿是除基礎以外鐵塔本體最重要的承力部位，本文通過分析鐵塔塔身段高度對塔腿承載穩定性的影響，為架空輸電線路鐵塔設計提供參考。

1 建立塔腿模型

架空輸電鐵塔主要分為角鋼塔和鋼管塔2種類型，其中角鋼塔具有造價便宜、施工方便和便于采購等優點，廣泛應用于架空輸電線路工程中。本文只考慮建立角鋼塔塔腿模型，不能涵蓋所有架空輸電鐵塔[3]。自然環境條件下，輸電鐵塔塔腿承受上部塔材自重、風荷載、導地線和金具傳導荷載、施工荷載以及冬季覆冰荷載等[4-5]。

某工程鐵塔塔腿高7.5 m，鐵塔根開6.0 m，塔頭高度8.0 m。塔腿整體鋼材采用Q345級鋼，主材為L125×8型號角鋼，斜材為L110×8型號角鋼。本文通過ANSYS有限元軟件建立該工程塔腿模型，如圖1所示。

(a)三維模型 (b)模型立面

角鋼模型選用Beam188單元，鋼材密度7.85×10-9t/mm2，彈性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.3，屈服強度345 MPa。節點全部采用剛性節點。

在理想條件下，只考慮塔腿上部塔材自重，保持組立塔腿和塔頭結構不變，改變塔身段高度，塔身段每增加1 m，塔腿整體承受荷載增加3000 N，塔腿整體承受的荷載平均傳遞給4個塔腿，每個塔腿承受荷載為

G=0.25×[3000×(L+8)]

(1)

式中：G為每個塔腿承受荷載，N；L為塔身段高度，m。

塔身段高度區間為7.5～28.5 m，每間隔3 m為1組工況，一共選取8組工況，如表1所示。

表1 塔身段高度與每個塔腿承受荷載關系

2 模擬數據分析

通過ANSYS有限元軟件對上述8組工況進行模擬分析[6]。塔腿整體選擇靜力分析類型，根據塔腿在加載狀態下的位移云圖判斷其整體承載穩定性，如圖2所示，塔腿整體位移量越大，表明塔腿承載穩定性越差；位移量越小，表明塔腿承載穩定性越好。

(a)工況1 (b)工況2

由圖2可知，對于所建立的塔腿模型，塔身段高度7.5 m時，塔腿整體位移量最小；塔身段高度每增加3 m，塔腿整體位移量逐漸增大；塔身段高度28.5 m時，塔腿整體位移量最大。

塔身段高度與塔腿整體位移關系如表2所示。通過MATLAB數值分析軟件繪制塔身段高度與塔腿整體位移關系如圖3所示，采用牛頓差值法[7-8]分析得出塔腿整體位移為

圖3 塔身段高度與塔腿整體位移關系

表2 塔身段高度與塔腿整體位移關系

X=-3.15×10-7L7+3.78×10-5L6-1.89×10-3L5+5.06×10-2L4-0.78L2+6.99L2-32.96L+64.22 (7.5≤L≤28.5)

(2)

式中：X為塔腿整體位移，mm。

3 結論

a.對于組立同一結構塔腿，塔身段高度變化對塔腿承載穩定性有一定的影響。塔身段高度在不小于7.5 m且不大于28.5 m情況下，塔身段越高，塔腿整體位移越大，塔腿承載的穩定性越差，塔身段每增高3 m，塔腿整體位移增加約0.3 mm。

b.對塔身段高度與塔腿整體位移的關系采用牛頓差值法進行分析，可以為架空輸電線路鐵塔設計提供參考，達到優化設計過程的效果。