耐候鋼桿塔真型試驗與數值仿真研究

張金鋒，劉 軍，楊 進，汪志強，李 鑫

(1.國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；2.安徽華電工程咨詢設計有限公司，安徽 合肥 230022；3.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

輸電鐵塔作為電網中重要組成部分，也是重要的生命線工程，直接關系到人民的生活質量和國家的各項工程建設[1]。目前，我國輸電鐵塔主要采用熱浸鍍鋅防腐，鍍鋅過程容易產生大氣和土壤污染，危害人員身心健康。20世紀五六十年代，美國和日本研發了一種高耐腐蝕性能鋼材，其耐腐蝕性能是普通鋼材的2～8倍[2,3]，并成功將免鍍鋅的耐候鋼材應用在輸電鐵塔上[4]。近年來，國內開始逐步開展耐候鋼研發工作，在耐候鋼生產、鐵塔設計和制造、工程應用上取得了一系列成果，2009年在廈門220 kV梧侶-內官線路中完成2基冷彎耐候角鋼塔試點應用[5]，2018年在安徽亳州夏湖-高堂110 kV輸電線路工程成功應用62基耐候角鋼塔[6]。

為保證新設計的鐵塔能夠滿足工程應用要求，我國電力行業標準《架空輸電線路桿塔設計技術規定》明確了采用新材料或新結構形式需進行試驗，以驗證其承載能力是否達到設計要求[7]。真型試驗是檢驗桿塔結構設計準確性的重要手段[8]，但往往周期長、成本高，而采用數值仿真研究方法可避免這些缺點[9,10]。本文采用試驗與數值仿真相結合的研究方法，對8種工況下耐候鋼桿塔構件應變及整體位移進行對比分析，深入研究了不同荷載作用下輸電桿塔受力性能及變形特性，這對于提高耐候鋼鐵塔的設計水平，保障線路安全運行具有較強的理論價值和工程意義。

1 桿塔真型試驗概況

為驗證耐候鋼桿塔在各種荷載組合工況下，桿塔的結構優化及計算結果的正確性，檢驗輸電塔節點構造的合理性，摸清各種受力狀態及變形影響，特進行現場真型試驗與數值仿真驗證，以確保塔的整體強度、剛度能夠滿足規范和工程要求，達到線路安全可靠運行的目的。本試驗在中國電力科學院良鄉試驗基地完成，現場真型試驗如圖1所示。

圖1 真型試驗現場照片

1.1 試驗塔設計條件

試驗塔的設計基本參數見表1。

表1 試驗塔設計條件

1.2 試驗荷載組合

根據《架空輸電線路桿塔設計技術規定》相關規定，在正常運行、安裝運維、不均勻覆冰和事故斷線四大類基本工況中僅各挑選幾個代表工況進行試驗，具體試驗工況見表2。

表2 試驗工況

由于加荷塔的加荷點位置所限，部分加荷點的位置與其對應的被試塔的荷載位置不一致，這時加荷繩將產生斜向荷載，出現水平或垂直分力。為保證被試塔各荷載作用點所受荷與試驗方案的要求相符，試驗前將各工況設計荷載值換算到對應的加荷鋼絲繩所受荷載(力傳感器示值)，稱為試驗荷載。此外，對于部分有角度偏離的斜向加荷點的荷載值做了必要的調整和換算。

1.3 加載方式及測點布置

工況1至工況7按0%—50%—75%—90%—95%—100%—50%—0%的試驗荷載進行分級加載，每級荷載持續1分鐘后進行數據測量。工況8為超載工況，先分級加載到100%試驗載荷，再以每級5%的試驗荷載遞增，直至試驗鐵塔破壞。

試驗載荷通過連有測力傳感器的鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，將水平荷載、導線張力荷載及垂直荷載等效為橫向荷載、縱向荷載及垂直荷載，逐步施加到桿塔各指定荷載作用點上。位移測量采用徠卡全站儀，應變測量采用靜態應變數據采集儀。試驗塔測點布置圖如圖2所示，u1～u12為位移測點，對每個測點橫向位移、縱向位移和垂直位移進行檢測；s1～s25為應變測點，應變片的貼片方式如圖3所示，其中s22和s24每個測點貼6個應變片，其余測點貼1個應變片。

圖2 桿塔測點布置

圖3 測點應變片布置

2 桿塔數值模型建立

采用通用有限元軟件ANSYS建立模型。輸電鐵塔通常采用角鋼組合而成，主材與斜材一般采用連接板和螺栓連接，連接節點具有一定的剛度，主材與斜材同時承受軸力、剪力、彎矩及扭矩；輔助材與主材或斜材直接通過螺栓連接，一般只受軸力。根據結構桿件的受力特點，采用梁-桁混合模型建立桿塔數值模型。對于輸電塔上需要承受彎矩的桿件如主材及斜材，選用梁單元BEAM188，每300 mm 劃分1個單元；輔材只承受軸力，選用桿單元LINK180 來模擬，每根輔材劃分1個單元。整體模型共1 097個單元、430個節點。主材與斜材連接采用剛性連接，輔材與主材或斜材連接采用鉸接，塔腳底部采用剛性約束。

模型所有構件材料的彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，主材與斜材采用Q415NH鋼，設計強度值f=356 MPa，輔助材采用Q355NH鋼，設計強度值f=305 MPa。試驗塔數值模型如圖4所示。

圖4 試驗塔數值模型

3 試驗與計算結果分析

結合桿塔真型試驗數據及數值仿真分析結果，對二者應變及位移進行對比分析，可為后續桿塔的設計優化提供參考。

3.1 桿塔應變分析

為考察塔腿及腿部橫隔位置應變情況，選取圖2中應變監測點s22和監測點s24進行應變分析，應變比較時采用計算軸向應變結果與試驗測試結果中的100%加載應變測試結果減去卸載后(0%)的殘余應變后的彈性應變的均值進行對比。各工況下真型試驗所測數據及數值計算所得結果見表3。

由表3可知，監測點s22和監測點s24的應變最小值均位于工況2處，最大值位于工況8處。監測點s22的應變最大值為-1036.2，最小值為-510.5；監測點s24的應變最大值為-997，最小值為-513.0。工況8測點s22和s24應變均達到最大，證明將其確定為超載工況是合理的。鐵塔應變計算結果與試驗測試結果的最大偏差為15.46%，最小值為1.01%，各工況下桿塔應變數值仿真計算值與試驗值吻合性較好。

表3 桿塔應變試驗及計算結果

3.2 桿塔位移分析

選取圖2中位移監測點u1(塔頂)進行位移分析，其x方向、y方向、z方向的試驗值和計算值見表4～表6。

表4 監測點u1 x方向位移試驗及計算結果

表5 監測點u1 y方向位移試驗及計算結果

表6 監測點u1 z方向位移試驗及計算結果

由表4可知，監測點u1 試驗值x方向位移最大值為277 mm，位于工況7；最小值為-13 mm，位于工況3。

由表5可知，監測點u1 試驗值y方向位移最大值為193 mm，位于工況3；最小值為1 mm，位于工況6。

由表6可知，監測點u1 試驗值z方向位移最大值為-34 mm，位于工況6；最小值為-12 mm，位于工況4。

桿塔位移計算值與試驗值偏差最大值為448.1%，位于工況3；最小值為0.9%，位于工況6。部分試驗值與計算值存在較大偏差，產生偏差可能有以下原因：

(1) 鐵塔構件之間多采用螺栓連接，試驗加載可造成螺栓滑移，而數值仿真未考慮此滑移。

(2) 鐵塔試驗過程中的所有工況下的位移測量值均為單次測量，存在較大的測量誤差。

為考察試驗塔整體變形情況，以工況8獲得的試驗數據為分析對象，試驗塔整體位移如圖5所示。

圖5 試驗塔整體橫向位移

從圖5中可以看出，工況8各荷載等級下試驗塔橫向位移以測點u3(測點高度15.5 m處)為界呈現上大下小的特點，在測點u3存在突變。荷載由50%增加到130%時，測點u1橫向水平位移由112 mm增加到388 mm，增加246.6%；測點u2橫向水平位移由78 mm增加到228 mm，增加192.3%；測點u3橫向水平位移由23 mm增加到71 mm，增加208.7%；測點u4橫向水平位移由5 mm增加到9 mm，增加僅80%。測點u3以上變形較大，以下變形較小。這主要是鐵塔在測點u3以上塔身坡度小(剛度相對小)引起的變形突變。

3.3 極限承載分析

試驗塔按照工況8加載至100%試驗荷載后，再按每級5%試驗荷載遞增，當荷載加載至140%時，試驗塔東南腿主材與塔腳板連接螺栓發生剪切破壞，破壞形式如圖6所示。此時測點s22和s24測得應變平均值分別為-1789.2με、-1834.7με，塔腿處應變值達到最大，此時塔腿主材應力約377.9 MPa，大于設計強度值356 MPa?？紤]到試驗塔達到140%試驗荷載后發生塑性變形，對其進行非線性靜力分析，得到測點s24位置相應處桿件應力最大約398 MPa，與實測值接近，同樣驗證了試驗塔東南腿發生破壞。

圖6 試驗塔破壞形式

4 結 論

本文通過對桿塔進行真型試驗及數值仿真計算，分析了桿塔在不同工況下的應力及應變情況。根據前文結果可知，鐵塔位移、應變及極限承載計算結果與試驗測試結果對比分析，可以得到如下結論：

(1) 試驗塔通過了工況1～7加載，未發生桿件失效。工況8加載至140%試驗荷載時試驗塔發生破壞，試驗測得該塔型極限承載力約為135%試驗荷載，具有較大的安全儲備，滿足設計要求。

(2) 塔腿處試驗平均應變值與數值仿真計算值最大偏差為15.46%，最小偏差為1.01%，各工況下桿塔應變計算值與試驗值吻合性較好。

(3) 鐵塔變形以變坡位置為界呈現上大下小的特點，這與塔身變坡以上剛度小、變坡以下剛度大直接相關。

目前的仿真結果總體來說與試驗結果吻合較好，考慮到試驗結果的誤差和離散性，后期將進行更為細致的模型修正和數據對比，以保證有限元模型的精度。