高压输电铁塔结构强度和稳定性分析与加固

牛忠荣(1957-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

高压输电铁塔结构强度和稳定性分析与加固

杜伟1,罗正帮2,杨雪峰2,胡宗军1,牛忠荣1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009;2.安徽华电工程咨询设计有限公司,安徽 合肥230022)

摘要:针对已有的输变电铁塔在新使用条件下不能满足在负荷条件下安全工作的状况,文章对铁塔结构提出了多种加固方案,建立了铁塔结构的梁-桁混合力学模型,并采用有限元法对各种加固方案进行应力强度计算和局部稳定性分析;依据设计规范讨论了铁塔结构承载力薄弱部分在加固后的力学性能,并给出了加固杆件的设计及节点连接方式的构造措施,从而获得了满足铁塔结构在新使用条件下的加固方案。

关键词:输电铁塔;有限元法;梁-桁混合模型;稳定性;加固

收稿日期：2014-01-14；修回日期：2014-03-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272111)

作者简介：杜伟(1987-),男,安徽阜阳人,合肥工业大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.015

中图分类号:TM753文献标识码：A

Strengthandstabilityanalysisoftransmissiontoweranditsstrengthening

DUWei1,LUO Zheng-bang2,YANG Xue-feng2,HU Zong-jun1,NIU Zhong-rong1

(1.SchoolofCivilandHydraulicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.AnhuiHuadianEngineeringConsultatingandDesignCo.,Ltd.,Hefei230022,China)

Abstract:Because the existing transmission tower can not meet security requirements in new service cases, some strengthening schemes for the tower structure are proposed in this paper. The beam-truss mechanical model of the tower is established by using the finite element method. Then the stress strength and structural stability analysis of the tower for the proposed strengthening schemes are done. According to the design specification of transmission tower, the mechanical properties of the weak parts of tower structure after applying several strengthening schemes are respectively discussed by the finite element analysis. Moreover, the design for the reinforcing truss and the construction form of the node connection part are given, thus making the strengthened tower work in the new conditions of use.

Keywords:transmissiontower;finiteelementmethod;beam-trussmechanicalmodel;stability;strengthening

0引言

输电线塔是一种重要的高耸结构,作为大型生命线工程和电力输送的支柱,约占线路总投资的40%左右[1],输电塔结构的破坏将导致供电系统的瘫痪甚至引发火灾等严重后果。随着经济发展和环境变更,原有输电线路和铁塔体系不能满足新的使用要求。在新使用条件下,电压等级、导线型号、导线转角和布线方式等发生改变,或者已服役的铁塔因为锈蚀等缺陷,出现局部屈服失稳和强度不足,无法满足安全使用要求。如果将原有的铁塔废弃而重新设计和建造,不仅造成经济损失,长久的重建工期也影响人民的生活和生产秩序[2-3];而不断深入研究输电塔的整体稳定性、局部承载力不足并对薄弱部分进行加固补强,使原有的结构能够继续使用,将极具科研及实用价值。

目前,关于输电铁塔加固补强方法的研究非常广泛,如充分利用交叉斜材以及辅助材与主材的连接孔进行主材与副主材连接的一字形连接板加固方案[4];采用背靠背形式在原主材上附加一根相同规格的主材加固法[5];在塔身适当位置增加横隔面和在输电塔局部薄弱部分采取增大杆件截面的方法提高承载力的加固方法[6]。

本文进行有限元数值模拟和分析,找出薄弱环节并通过工程加固的思想,优选出合理的加固方案;加固的杆件自身构成几何不变体系,不损伤原杆件强度,能解决以往推倒重做的不经济做法。本文对大型输电线塔加固提出的研究思路和实施方案可以应用于实际工程。

1混合力学模型的建立

本文研究对象是某高压输变电铁塔的力学分析和加固改造,源于实际输变电工程的需求,为自立式“丰”字耐张型转角铁塔。该铁塔材料为Q235、Q345和Q420 3种型钢,用钢量约22.5t,造价约30万元。对该铁塔结构建立梁-桁混合力学模型,根据杆件的节点类型和连接方式的不同,做以下简化建立结构的力学模型。杆件的各类连接类型如图1所示。

图1　各类连接节点类型

(1) 主材和斜材相交处,由于采用连接板和多根高强螺栓或直接采用多根高强螺栓相连接,可以视此类节点为刚接节点。

(2) 斜材和斜材相交处,由于仅用了1根螺栓连接,在实际工程中,2斜材之间的连接彼此并不紧固,铁塔在外荷载作用下变形不大,因此可以将此类连接忽略,不考虑2斜材之间的彼此作用。

(3) 斜材和辅材之间的连接是通过单根螺栓相连,可以将此类节点作为铰接节点来处理。

(4) 主材和主材、主材和斜材之间的节点属于刚接节点,在连接节点处传递弯矩和剪力,所以可以将铁塔的主材和斜材作为梁单元处理。

(5) 主材和辅材、斜材和辅材之间的节点属于铰接节点,可以将辅材作为杆单元来处理。

利用有限元软件MIDAS/Civil,根据以上简化思想,建立一种新的自立式铁塔力学模型——梁-桁混合模型,边界条件是约束4个塔脚处节点的所有位移。该模型更接近于实际的铁塔结构,且能方便地考虑平面外刚度问题。

2铁塔计算的基本荷载、工况

2.1　基本荷载的计算

该铁塔所承受的荷载可分为2部分:① 铁塔自身产生的载荷,如自重、风载、雪载等;② 导线对铁塔的作用。本文重点研究铁塔强度、稳定性及其加固方案,不讨论导线荷载的计算问题,导线荷载作为节点集中载荷直接施加在模型上,各工况导线荷载计算方法详见文献[7-8]。杆塔风载荷取值计算公式[8]为:

W0=v2/1 600,

其中,W0为杆塔风载荷标准值;μs为构件的体形系数;μz为风压高度变化系数;βz为杆塔风载荷调整系数;Aj为构件承受风压投影面积计算值;v为基准高度的风速。

2.2　危险工况的选择

根据架空送变电线路杆塔结构设计规范规定的数百种工况,对铁塔强度和稳定性进行有限元分析,从中列出比较危险的5组工况,计算结果见表1所列。

表1　应力百分比较大的危险工况

(1) 工况1。断线,无风,不平衡张力,断导2、地1,最大转角,最大垂荷。

(2) 工况2。断线,无风,不平衡张力,断导4、地1,最小转角,最小垂荷。

(3) 工况3。断线,无风,不平衡张力,断导1、地1,最小转角,最大垂荷。

(4) 工况4。断线,无风,不平衡张力,断导1、地1,最小转角,最小垂荷。

(5) 工况5。大风,平衡张力,45°风,最小转角,最大垂荷。

从表1可以看出,在工况1和2下,铁塔局部杆件的应力百分比达到104.1%,说明铁塔局部杆件的应力已经超过允许应力,出现了失稳现象,不能安全使用。本文依据这2种工况进行铁塔加固,其他工况仅作为对加固方案的校验。

3工况1、2的数据分析

3.1　对工况1的数据分析

经计算,铁塔出现了扭转和倾斜2种变形效果,组合应力值最大的一些点出现的位置如图2所示,并对这些应力较大的杆件进行编号,作为结构应力监测和控制的观察点。

图2　工况1下应力观察点编号

各应力观察点计算结果见表2所列,其中组合应力为MIDAS软件直接求解的数据,计算组合应力根据规范除以相应的系数所得。具体计算为:当组合应力为负时,计算组合应力=组合应力/稳定系数;当组合应力为正时,计算组合应力=组合应力/强度折减系数;组合应力比=计算组合应力/允许应力。

稳定系数是进行实腹式轴心受压杆件稳定性计算公式中的重要参数,与构件两端的约束情况、构件的长细比及构件的截面形状有关,详见文献[9]及其附录C。

表2　工况1下原结构各观察点应力水平

从表2可以看出,由于铁塔使用条件的改变,观察点1和4处的斜材出现组合应力超出允许应力的情况,局部出现受压失稳。从铁塔的扭转和倾斜变形分析,铁塔受到的主要影响是铁塔整体上的扭转力矩作用,对失稳部位的加固要从抗扭方向着手,其中4面加固的斜材都相同,现以正面为例,所采取的加固方案如下:

(1) 方案1。采用沿着失稳的斜材方向,增设背靠背斜材梁单元进行加固。

(2) 方案2。采用在主材中点处增设平行四边形梁单元进行加固。

(3) 方案3。采用上侧平行斜材梁单元加固。

(4) 方案4。采用辅材杆单元加固。

(5) 方案5。采用在主材1/3点处增设平行四边形梁单元进行加固。

5种加固方案的原理如图3所示。

图3　铁塔结构加固方案

在工况1下,分别对5种加固方案进行计算,并将原结构和5种加固方案的应力水平进行对比,如图4所示,6条曲线变化趋势基本相同,但在应力观察点1、2、3、4、7和11处应力值差异较大,说明由于局部刚度变大,导致内力重分布,各种方案对加固部位及其周围杆件应力影响很大,对较远杆件影响很小。方案3和4在数据观察点1和4位置处的组合应力比大于1.0,说明存在着组合应力超出允许应力的情况,即这2种加固方案不合理,应当舍弃；方案1、2和5的组合应力比都低于1.0,最大不超过0.9,说明这3种方案是合理的,可以从施工便利程度和加固成本方面对三者进行抉择。

图4　工况1下5种加固方案的组合应力比

3.2　对工况2的数据分析

讨论在工况2下,方案1、2和5的加固效果。由于距加固部位较远的杆件在加固后受到的影响较小,在提取工况2的观察点数据时仅监控加固部位周围的杆件。经计算,原结构上组合应力最大的一些点的出现位置、选取的观察点及其编号如图5所示,其中编号1和4处的杆件应力超过允许应力。

图5　工况2下应力观察点编号

对方案1、2和5的应力水平进行对比,如图6所示,此3种方案对铁塔的加固都是满足的。

图6　工况2下各加固方案的组合应力比

4加固方案的选择

建筑物加固方案的选择十分重要,加固方案的优劣不仅影响资金的投入,更重要的是影响加固质量。合理的加固方案应达到下列要求:加固效果好,对使用功能影响小,技术可靠,施工简便,经济合理,外观整齐[10]。另外,加固结构的构造处理不仅应满足新加固构件自身的构造要求,还应考虑其与原结构构件的连接。

4.1　方案1的可用性分析

对于方案1,采用背靠背斜材加固,从图3a可以看出,由于连接板的尺寸限制,没有足够空间用来钻孔,所以方案1不利于增设斜材来进行加固。

4.2　方案2的可用性分析

(1) 节点连接方案。对于方案2,可以从2种节点连接方案来考虑,节点连接构造方式a为采用连接板钻孔螺栓连接;节点连接构造方式b为在主材内外采用角钢连接板包夹来连接,这种节点连接方式可以避免在主材上钻孔,在不减弱原有材料强度的情况下方便加固和施工,所需的构件都是在工厂加工完成,施工要比连接方式a简便很多,加固周期也随之缩短,原理示意图如图7所示。

(2) 节点连接方式a的可用性分析。根据工程加固的思想,结构的加固应综合考虑其经济性,尽量不损伤原结构,并保留其有利用价值的结构构件,避免不必要的构件拆除或更换;但是连接方式a对主材钻螺栓孔势必会造成主材强度的减弱,同时,在螺栓孔附近会出现较大的应力集中现象,也会给主材的安全带来很大的隐患,所以优先考虑采用节点连接方式b。

(3) 节点连接方式b的几何构造体系分析。对于连接方式b,原结构是几何不变体系,多余约束数为1次。新增设的杆件与原结构连接的节点可以简化为定向套筒,定向套筒只能沿着所在的杆件轴向运动,而定向套筒和套筒上的铰接等效为单链杆约束,最终的计算简图如图8所示的力学模型。

图7　2种节点连接方式

图8　方案2的计算简图

根据“3个刚片用3个铰两两相连,且3个铰不在一直线上,则组成几何不变的整体,并且没有多余约束”规律,现将地面作为刚片Ⅰ,如图9所示的杆件分别作为刚片Ⅱ和刚片Ⅲ,瞬铰OⅡⅢ在无穷远处,瞬铰OⅠⅡ和OⅠⅢ共点,故3个瞬铰在同一直线上,所以此种节点连接的结构体为几何可变体系,该加固方案不能发挥应有的加固效果。

图9　方案2的3个瞬铰位置

4.3　方案5的可用性分析

(1) 加固方案5的几何构造体系分析。对于方案5,采用连接方式b,同方案2的几何体系分析类似,方案5的计算简图和3个瞬铰位置如图10所示,可以看出3个瞬铰不共线,此加固体系为几何不变体系,能起到应有的加固效果。

图10　方案5的3个瞬铰位置

(2) 方案5的节点构造详图。上下两侧横材连接板三维图如图11所示。

图11　上下两侧横材连接板三维图

上述图7b所示的角钢连接板在主材的边缘处向内厚3mm以形成卡槽,使连接板更好地嵌固住主材;图11所示的结构在节点连接处有一辅材和一螺栓孔。在铁塔设计规范中,辅材内力取与其相邻主材内力2%和相邻斜材内力5%中的较大值[7],文献[2]的研究表明辅材内力远远小于设计时的选取值,可以将此辅材先卸下,换用一根8.8级高强度的螺栓重新连接增设的连接板、辅材和原有的横材。

4.4　加固方案优选

综合5种方案,方案5是最合理有效的加固方案,不仅能满足结构承载力的要求,且不损伤原结构,又方便加固施工。

5结束语

根据铁塔杆件的节点类型和结构特点,本文利用有限元软件MIDAS/CIVIL,建立了一种新的自立式铁塔力学模型——梁-桁混合模型,并分析了铁塔杆件的应力强度及稳定性。由于原有铁塔在新使用环境下已经不能满足应力强度和稳定性要求,本文提出了多种加固方案,并通过对多种加固方案的结构应力计算和是否适合加固实施进行了分析论证,优选了一种既能满足结构承载力要求,又不损伤原结构体系的合理加固方案;选择的方案方便施工、加固周期短、费用低,加固后的铁塔能够达到不影响正常输电或短期内就能恢复供电的使用要求。本文对大型输电线塔加固提出的研究思路和实施方案可以应用于实际工程。

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[8]DL/T5154-2012,架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].

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(责任编辑胡亚敏)