鋼管尺寸對(duì)架空輸電線路鋼管塔承載穩(wěn)定性的影響研究

蔣 鋒，張 輝，洪亦君，陸 斌，李振功

(1.湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 湖州 313002；2.國(guó)網(wǎng)安吉縣供電公司，浙江 湖州 313299)

架空輸電線路是電力系統(tǒng)極為重要的基礎(chǔ)建設(shè)工程，是電力網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的骨架。為防止架空輸電線路桿塔倒塌事故的發(fā)生，研究桿塔承載穩(wěn)定性具有深遠(yuǎn)意義，鋼管塔作為架空輸電線路鐵塔的一種塔型，在電力網(wǎng)絡(luò)中起到重要作用[1-4]。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，王孟等研究了鋼管塔關(guān)鍵受力塔材應(yīng)力及重要節(jié)點(diǎn)位移等隨荷載變化的規(guī)律[5]；王璋奇等分析了不同斜材模型對(duì)窄基鋼管塔振動(dòng)頻率的影響[6]；汪楚清等對(duì)大跨越鋼管塔進(jìn)行多尺寸有限元分析[7]；鄧洪洲等提出了一種適應(yīng)于鋼管塔的新型內(nèi)外法蘭節(jié)點(diǎn)連接方式，并對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析[8]。

本文通過(guò)ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建立鋼管塔模型，分析鋼管尺寸對(duì)鋼管塔體承載穩(wěn)定性的影響，可為輸電線路設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概述

浙江省湖州地區(qū)某一雙回路架空輸電線路工程，需建高為15 m的鋼管塔，其鐵塔根開(kāi)6 m，塔腿高4.5 m，塔身段高10.5 m，組立塔體的鋼管采用Q345級(jí)鋼。

2 工況分組

影響鋼管正截面尺寸的參數(shù)主要有壁厚和內(nèi)徑。工況分組時(shí)分為2種情況：鋼管壁厚不變，鋼管內(nèi)徑不同；鋼管內(nèi)徑不變，鋼管壁厚不同。

a.鋼管內(nèi)徑不同

鋼管壁厚為5.00 mm保持不變，鋼管內(nèi)徑不同為第1種模擬情況，鋼管內(nèi)徑為1.00～6.00 mm，每差1.00 mm作為1組工況，共分為6組工況，如表1所示。

b.鋼管壁厚不同

鋼管內(nèi)徑為5.00 mm保持不變，鋼管壁厚不同為第2種模擬情況，鋼管壁厚為1.00～6.00 mm，每差1.00 mm作為1組工況，共分為6組工況，如表2所示。

表1 鋼管內(nèi)徑不同工況分組 單位：mm

表2 鋼管壁厚不同工況分組 單位：mm

3 鋼管塔有限元模擬分析

3.1 建立模型

建立雙回路鋼管塔模型[8-9]，如圖1所示。鋼管塔整體結(jié)構(gòu)采用Baam188單元，鋼材密度為7.85×10-9t/mm3,彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa，塔體節(jié)點(diǎn)采用剛性節(jié)點(diǎn)連接。

3.2 承載穩(wěn)定性分析

由于風(fēng)荷載方向和大小不固定，在有限元承載力分析時(shí)忽略風(fēng)荷載對(duì)塔體的作用。鋼管塔承受導(dǎo)地線、絕緣子串、防震錘、線夾等直接或間接荷載，將此類(lèi)荷載簡(jiǎn)化為橫擔(dān)外沿鋼管2節(jié)點(diǎn)處的2個(gè)大小為500 N的豎直向下集中荷載。鋼管塔4條塔腿最底端分別施加4個(gè)Ux、Uy、Uz3個(gè)方向約束作為邊界條件。假定鋼管塔主材、斜材和輔材均采用同一截面尺寸的鋼管桿，鋼管塔整體承載穩(wěn)定性采取五階屈曲模態(tài)分析[10-11]。

(a)正立面

a.鋼管內(nèi)徑不同的影響

鋼管壁厚5.00 mm保持不變，改變鋼管內(nèi)徑尺寸，對(duì)鋼管塔模型進(jìn)行有限元分析，工況1的五階屈曲模態(tài)圖如圖2所示，由工況1-6的五階屈曲模態(tài)圖可知，一階和三階屈曲下的塔體最大位移大于其他階；二階、四階和五階屈曲下的位移近似相同，表明一階和三階屈曲對(duì)鋼管塔穩(wěn)定承載力的影響最大。

b.鋼管壁厚不同的影響

鋼管內(nèi)徑為5.00 mm保持不變，改變鋼管壁厚尺寸，對(duì)鋼管塔模型進(jìn)行有限元分析，工況7的五階屈曲模態(tài)圖如圖3所示，由工況7-12的五階屈曲模態(tài)圖可知，一階和三階屈曲對(duì)鋼管塔穩(wěn)定承載力的影響最大。

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述12組工況的五階屈曲模態(tài)圖整理得到的數(shù)據(jù)，分別繪制不同鋼管內(nèi)徑和不同壁厚的屈曲位移關(guān)系折線圖，如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，鋼管內(nèi)徑越大、鋼管壁越厚，鋼管塔承載穩(wěn)定性越好。

(a)一階屈曲模態(tài)圖

(a)一階屈曲模態(tài)圖

圖4 鋼管內(nèi)徑不同的屈曲位移關(guān)系

圖5 鋼管壁厚不同的屈曲位移關(guān)系

4 結(jié)論

a.鋼管塔在一階和三階屈曲模態(tài)的承載穩(wěn)定性最差，應(yīng)避免這種受力狀態(tài)出現(xiàn)；二階、四階和五階屈曲模態(tài)的承載穩(wěn)定性較好。

b.鋼管內(nèi)徑越大、鋼管壁越厚，鋼管塔整體承載穩(wěn)定性越好，符合細(xì)長(zhǎng)桿件截面越大穩(wěn)定性越好的理論。

c.鋼管尺寸對(duì)鋼管塔承載穩(wěn)定性有顯著影響，因此對(duì)生產(chǎn)廠商應(yīng)嚴(yán)格管控，避免未經(jīng)檢測(cè)合格的鋼管塔出廠銷(xiāo)售，對(duì)施工方運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)堆放也應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)施工技術(shù)方案。