基于ABAQUS 的混凝土電桿抗傾覆性能研究

徐恒博，孫 芊，戚建軍，王 洋

（1.國網河南省電力公司 電力科學研究院，鄭州 450052；2.國網駐馬店供電公司，河南 駐馬店 463000；3.河南奇測電子科技有限公司，鄭州 453000）

桿塔是架空配電線路中重要的組成部分［1］，而混凝土電桿具有結構簡單、造價低等特點，在城鄉配網中大量使用。電桿若出現傾倒，會通過電線傳遞拉力導致附近電桿產生串倒，這將對供電區域局部甚至整個配電線路產生影響，對居民生產生活造成嚴重的影響。電桿的埋深不足、惡劣氣象條件，以及降雨引起土質變化等都是引發混凝土電桿出現倒桿現象的主要原因。

中外學者已對輸電桿塔的受力及抗傾覆能力開展了大量研究。王梓源［2］通過對比預制裝配式塔桅結構的ABAQUS 的數值仿真結果和模型試驗結果，驗證了數值仿真方法的可靠性。胡千里［3］針對不同工況下10 kV 混凝土電桿的受力進行了詳細的理論分析。夏松如［4］建立了輸電桿塔——基礎體系及地面土體的ABAQUS 模型，并對其穩定性進行了研究。劉思遠等［5］對環形鋼筋混凝土電桿進行了理論和試驗分析，揭示了電桿的受力機理、破壞過程和抗彎承載能力。Fenton 等［6］通過仿真分析得出了在不同氣象條件下輸電桿塔的可靠性，并基于此提出了一種輸電線路的優化設計方法。

為了深入分析平原地區電桿倒桿的影響因素，考慮電桿在強風載荷作用下，建立了混凝土電桿及土體相互作用的有限元仿真模型，得到電桿抗傾覆性能與載荷、埋深及土體參數的關系，并進一步分析了電桿底盤對抗傾覆性能的影響。

1 混凝土電桿荷載分析

混凝土電桿所承受的載荷主要包括來自導線的荷載及電桿桿身的載荷。當混凝土電桿的水平受力較大時，將會對電桿的旋轉點產生較大的彎矩，從而導致土體受到剪切破壞［1］。因此針對電桿的抗傾覆性能的研究，只需要考慮對電桿最不利的水平受力的情況，分析出在強風作用下電桿的水平受力狀態［7］，包括導線所承受的與線路垂直的風載、風向與電桿桿體表面垂直時桿身所承受的風荷載［8］、絕緣子串和橫擔所受風荷載。圖1 表示混凝土電桿的受載情況。

圖1 電桿所受載荷

實際中的風載具有很大的不確定性，在結構抗風設計工程中，常采用等效靜力風荷載的方法來表示脈動風的動力效應［9］。在此基礎上通過風速風壓關系將動能轉化為對物體的靜壓力來進行數值模擬。風壓是指空氣的動能在迎風體單位面積上產生的壓力，根據流體力學中的伯努利方程，基本風壓值［10］為

式中：v為風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3，取標準空氣密度1.25 kg/m3。

1）導線、地線的風荷載［1］。當風向與電線、地線垂直時，作用在導線、地線上的風載荷為

式中：γ4為無冰風壓比載，N（m·mm2）；A為導線、地線截面面積，mm2；LP為導線、地線水平檔距，m。

2）電桿桿身承受的風荷載［1］。風向與電桿結構物表面垂直時的風荷載為

式中：μz為風壓高度變化系數；μs為構件體形系數；βz為桿塔風荷載調整系數；B為覆冰時風荷載增大系數，這里不考慮覆冰，取B=1；Af為構件承受風壓的投影面積，m2。

3）絕緣子串所受風荷載。簡化絕緣子串受載模型，將絕緣子串受力面看作矩形截面，則絕緣子串所受風荷載為

式中：d為絕緣子串最大公稱直徑，m；h1為絕緣子串公稱總高，m。

4）橫擔所受風荷載。

式中：c為橫擔長度，m；h2為橫擔公稱高度，m。

2 桿土作用有限元模型

2.1 電桿模型

以常見的混凝土電桿為例，建立電桿幾何模型。由于本文所研究的電桿發生傾覆時不出現電桿斷裂現象。因此省略模型中的鋼筋配置［11］。所選電桿的尺寸參數見表1，絕緣導線型號為KLYJ 10/120。確定地基的尺寸時，既要考慮消除邊界對結果的影響，又要考慮到計算機的計算速度。

表1 電桿幾何參數

2.2 桿土作用有限元模型

分析結果的正確性與前處理的參數設置有很大的關系。為了保證仿真的可靠性及運算結果的收斂性，仿真分析的參數設置至關重要。

基于對電桿水平方向上所受風荷載的理論分析，通過ABAQUS 軟件，對混凝土電桿及土體進行有限元仿真。在電桿的傾覆過程中，98%的電桿未發生斷裂現象。因此這里的電桿采用線彈性模型，材料選用混凝土，具體的電桿的參數見表2。以豫東地區的土體參數為例，取10 級強風（風速為25 m/s）來計算風荷載。

表2 電桿材料的物理參數

電桿埋在土體中，電桿發生傾覆時，土體會受力并產生變形，土體采用彈塑性本構模型Mohr-Coulomb 屈服準則［12］，該屈服準則在巖土工程中應用廣泛。土體材料的參數見表3。

表3 土體材料的物理參數

2.3 平衡初始地應力

初始地應力的平衡是在巖土工程的數值仿真中的重要一步，也是確保仿真分析結果正確性的關鍵。在巖土工程分析前，要先進行地應力平衡，也就是使土體具備初始應力，但不產生初始位移。ABAQUS中對地應力平衡有多種不同的方法，并且各有其適用性和優缺點［13］，這里采用的是ODB 導入法。當土體的位移的數量級達到10-1mm 時即可認為初始地應力的平衡是有效可靠的［14］。平衡后應力和應變云圖如圖2 所示。

圖2 初始地應力平衡

3 電桿傾覆影響因素分析

當未對電桿施加載荷時，土體處于靜止平衡狀態，土體之間存在初始內應力。當逐步增大對電桿施加的水平風荷載之后，電桿產生一定程度的傾斜，電桿周圍土體發生變形，電桿的一側與土體脫開，仿真結果如圖3（a）所示（變形系數為5）。當傾覆力矩更大時，可以通過添加底盤基礎，來增加了電桿的抗傾覆性能。圖3（b）為同等強度風荷載作用和相同埋深條件下，設置有底盤的混凝土電桿的位移云圖。顯然，在同等載荷條件和土體參數條件下，加裝底盤的混凝土電桿最大位移要小于無底盤電桿，這說明加裝底盤有利于提高混凝土電桿的抗傾覆性能。

圖3 土體位移云圖

3.1 埋深對電桿抗傾覆性能的影響

保持電桿所受的風荷載不變，只改變電桿的埋入深度，電桿的傾斜率隨埋深產生相應的變化，如圖4 所示。圖中顯示，埋深對電桿的傾斜率影響較大，隨著電桿有效埋深的增加，電桿的傾斜率逐步降低，抗傾覆性能增強。設置有底盤的電桿基礎的傾斜率明顯要低于未設置底盤，對電桿加裝底盤對其抗傾覆性能有明顯的提升作用。

圖4 不同埋深下電桿的傾斜率

3.2 土體參數對電桿抗傾覆性能的影響

土壤礦物成分與顆粒級配、土壤的原始密度、土壤含水量、土體結構等會對土壤的黏聚力產生影響。在雨水天氣，雨水入滲到土壤中，會降低土粒之間的電分子力，使得土壤的黏聚力下降；內摩擦角與土壤的含水量成反比，含水量越大，其內摩擦角越小。土體黏聚力、內摩擦角等巖土的材料參數也會影響電桿的傾覆性能。因此探究對土體參數對倒桿的影響規律在實際工程中是十分必要的。一般情況下幾種標準土體的參數［15］見表4。

表4 巖土性能參數

在相同水平風荷載和相同埋深的作用下，改變土體類型，包括土壤的黏聚力、內摩擦角、密度和彈性模量。不同土體類型下電桿的傾斜率如圖5 所示。從圖中可以得出，土體類型對電桿的傾覆性能是有影響的，在粉砂和粉土的土體中，電桿的傾斜率最高。粗砂、中砂和細砂的土體對電桿傾斜率相差不大。黏土1 到黏土5 的傾斜率逐漸增大。

圖5 不同土體電桿的傾斜率

在惡劣天氣下，土體會受到雨水的沖刷和浸泡，使土壤上層部分的黏聚力下降，內摩擦角減少，土壤的抗剪能力急劇下降，降低了電桿的有效埋深。因此，惡劣氣象改變了土體的物理參數，同時也降低了電桿的有效埋深，使得電桿抗傾覆性能下降。在實際工程中，針對天氣條件惡劣的地區，埋設電桿時應當以有效埋深為參考。實際上，由于施工和降雨天氣原因，電桿的有效埋深遠低于國家標準中規定的埋深。因此很容易產生倒桿現象。

4 結論

采用ABAQUS 分析軟件，對混凝土電桿傾覆的影響因素進行了仿真分析，仿真過程中主要考慮了3 個方面因素，即是否安裝底盤、不同電桿埋深、不同的土體參數。研究結論如下：

1）對電桿加裝底盤可以增加電桿基礎的穩定性，有利于降低電桿的傾斜率，對提升電桿抗傾覆性能有積極作用。

2）基礎埋深對桿塔抗傾覆性能影響較大，在氣候條件惡劣的地區，如經常有臺風、降雨等地區，可以通過增加有效埋深，來減少混凝土電桿的倒桿現象。

3）電桿的倒桿與土體類型相關，在工程實際中，布置電桿前，應當對當地的土壤條件進行分析評估，對于黏聚力較差的土體可考慮加裝底盤或增大埋深，以減少倒桿現象的發生。