1、Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期109220 kV 猫头型输电塔在覆冰与断线耦合作用下的响应研究盛金马1严波2常江1齐益3龚桢佳3赵宝成3(1国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，合肥230061;2国网安徽省电力有限公司，合肥230061;3苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011)摘要:利用弧长法有限元分析了猫头型输电塔在覆冰与断线耦合作用下的响应，研究了杆塔受弯、受扭及受弯扭的承载力变化规律、内力分布与变化规律、应力分布规律及斜材面外变形分布与变化规律，分析了不同塔型的破坏特征及覆冰厚度对杆塔
2、承载力的影响。研究结果表明:杆塔在覆冰与断线耦合作用下，受弯使得受压侧主材及刚度突变处杆件屈服;受扭时塔头与塔身顶层横隔受力较大，使得其下方斜材屈曲;受弯扭导致塔底受压侧主材屈服及塔身斜材屈曲;杆塔覆冰后自重的增加会加剧其受压侧主材屈服及斜材屈曲，降低杆塔在断线荷载下的抗侧能力，在设计中应考虑覆冰与断线耦合作用对杆塔性能的影响。关键词:猫头型杆塔;覆冰荷载;断线荷载DOI:10.13204/jgyjzG20110507esponse esearch of 220 kV Cathead-Type Transmission TowersUnder the Coupling Loading of I
3、cing and Broken WireSHENG Jinma1YAN Bo2CHANG Jiang1QI Yi3GONG Zhenjia3ZHAO Baocheng3(1Economic and Technological esearch Institute，State Grid Anhui Electric Power Co，Ltd，Hefei 230061，China;2State Grid Anhui Electric Power Co，Ltd，Hefei 230061，China;3School of Civil Engineering，Suzhou University of Sc
4、ience and Technology，Suzhou 215011，China)Abstract:The response of cathead-type transmission towers under the coupling loading of ice and broken wire werestudied by using arc length method The correlative development of bearing capacity，the development and distributionof inner forces，the stress and o
5、ut-of-plane deformation of braces were analyzed The effect of ice thickness on thebearing capacities and failure modes of various types of cathead-type transmission towers were investigated The resultsindicated that when the transmission towers were under the coupling load of broken wire and icing，t
6、he yielding of thecolumn on the compression side and the members at stiffness mutation part were induced by the bending of towers;Theinternal force between the tower head and top diaphragm was relatively large when the tower body was subjected totorsion，resulting in yielding to the lower diagonal ma
7、terials the column yielding on the compression side of the towerbotton combining with the brace buckling on the tower body were triggered by the torsion-bending of towers Theincrease of self weight of the tower after being covered with ice would exacerbate the bucking of main materials on thecompres
8、sion side and the yielding of braces，reducing the lateral resistance of towers under broken wire load Thecoupling of ice and broken wire loads should be taken into account in the design of transmission towersKeywords:cathead-type transmission tower;ice load;broken wire load*国网安徽经研院科技项目资助(SGAHJY00GHJ
9、S1900101)。第一作者:盛金马，男，1981 年出生，高级工程师。电子信箱:qiyi7711 126com收稿日期:20201105架空输电线路杆塔结构是国家生命线工程的重要组成部分，其在自然灾害下的承载能力是电网正常运行的保障之一。2008 年和 2011 年初，我国南部多省电网因严重冰雪天气发生倒塔、断线、闪络等事故，导致大范围电网系统受到冲击和破坏，对人民生活和经济造成了严重影响。根据安徽电网调查统计:2008 年，皖西大别山腹地500 kV 宜华线11461153 号发生严重覆冰过荷载，最大等值冰厚达 20.2mm，造成 4 基杆塔倒塔;2015 年，皖南山脉的 500kV 官沥
10、 5365/山沥 5366 线 221225 号发生严重覆冰过荷载，最大覆冰厚度达 30 mm，造成导线掉线，绝缘子、金具损坏;2018 年和 2019 年连续两年出现部分地区覆冰加重情况，对电网影响严重。可见，安徽地区杆塔的覆冰有逐年增长之势，严重覆冰引起110工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期的导、地线不平衡张力是倒塔的主要原因之一。因此，输电塔结构在覆冰与断线耦合作用下的响应研究具有重要的工程意义。目前，架空输电塔在断线与覆冰耦合作用下的性能研究较少。李国荣1 利用 ANSYS 有限元分析了 500 kV 猫头型输电塔在断线与覆冰耦合作用下的静力响应。谢强等2 通过试验研究了50
11、0 kV输电塔子结构在覆冰荷载与水平荷载耦合作用下的破坏机理，分析了有、无横隔对子结构极限承载力的影响。李正良等3 对输电塔子结构进行了静力加载试验，研究了不等边角钢交叉斜材的稳定承载力及破坏模式。夏正春等4 利用有限元程序分析了输电塔在线路断线作用下的动力响应，分析了断线后各导、地线张力与导、地线支座反力的变化规律。沈国辉等5 对大跨越输电塔绝缘子断裂的动力响应进行了研究，分析了导线跌落过程中输电塔内力的变化规律。胡位勇等6 通过有限元分析了塔线体系在不同断线工况下的受力特征，通过输电塔的应力峰值对其安全性进行了评估。严波等78 利用 ABAQUS 有限元分析了 500 kV 超高压输电塔在
12、电线脱冰作用下的动力响应。陈祺9 对220 kV 猫头型输电塔进行了有限元非线性屈曲分析，研究了风载作用下，风攻角对输电塔非线性稳定的影响。输电塔在断线、覆冰或竖向与水平力同时作用下的研究主要采用有限元静力分析10 或子结构静力加载试验，动力分析对于结构失效过程的分析存在局限性。本文利用 ABAQUS 弧长法(iks)分析了安徽省 4 座存量 220 kV 猫头型杆塔结构在覆冰与断线耦合作用下的静力响应，研究了杆塔在覆冰与断线耦合作用下的承载力变化规律及内力、变形、应力的分布规律，分析了覆冰与断线荷载组合下各参数对 4 种塔型承载力及破坏模式的影响。1有限元建模本文研究的 4 座输电塔均为 2
13、20 kV 猫头型悬垂杆塔，三相导线、两根地线，塔型分别为 2B5-ZM2(42 m 呼高)、2K1-ZM(36 m 呼高)、2B10-ZMC2(33 m呼高)和 ZM12(32 m 呼高)，如图 1 所示。杆塔主材、斜材与辅材均为等边角钢，主材和部分斜材采用 Q345 钢材，其余为 Q235 钢材。杆塔基本信息见表 1。ABAQUS 建立的有限元模型如图 2 所示，X、Y、Z 轴方向分别对应垂直导线、顺导线和塔高方向。杆塔的主材、斜材及辅材均用梁单元 B31 进行模表 1杆塔基本信息Table 1Basic information of transmission towers序号塔型呼高/m
14、导线规格地线规格12B5-ZM2422LGJ-400/35JLB20A-15022B10-ZMC2332LGJ-400/50JLB20A-15032K1-ZM2362LGJ-240/30JLB20A-1504ZM1232LGJ-400/50GJ-50图 1杆塔单线图Fig1Schematic description of transmission towers拟;材料为理想弹塑性本构模型，屈服强度按 GB500172017 钢结构设计标准11 取标准值;柱脚为刚接;荷载分为竖向和纵向荷载两阶段进行分析，纵向包括 5 个加载点，位于导地线悬挂处，如图 2 所示。有限元模型的钢材等级、梁单元截面尺
15、寸及截面方向与实际一致。杆塔 2B5-ZM2 塔腿和塔身主材最大截面分别为125 10 和110 10;杆塔2B10-ZMC2 塔 腿 和 塔 身 主 材 最 大 截 面 分 别 为1258和1108;杆塔 2K1-ZM2 塔腿和塔身主材最大截面均为1108;杆塔 ZM12 塔腿和塔身主材最大截面均为907。图 2杆塔有限元模型及边界条件Fig2The finite element model and boundary conditions竖向荷载采用通用静力分析，包括塔自重与覆冰荷载、导线、金具、绝缘子在悬挂点产生的竖向荷220 kV 猫头型输电塔在覆冰与断线耦合作用下的响应研究 盛金马，等
16、111载(沿 Z 轴加载)。覆冰荷载按照杆件覆冰厚度折算成杆件的等效密度，以重力方式施加1。悬挂点竖向荷载以集中力形式施加。纵向荷载(沿 Y 轴加载)采用弧长法(iks)分析，根据断线情况，将不平衡张力施加至相应的加载点。iks 分析考虑了模型几何非线性及结构的初始缺陷，施加荷载为杆塔的设计荷载。引入初始缺陷前，先进行弹性屈曲分析。屈曲分析得到的前 10 阶屈曲模态均为杆件局部屈曲，引入初始缺陷幅值取杆件长度的1/1 000。设计了 96 个有限元算例，基本信息如表 2 所示。每个塔型取 4 个覆冰厚度，前两个分别为每座塔 19 年冰区变化前、后的设计覆冰厚度，后两个覆冰厚度统一取重冰区覆冰厚度 30 mm 和 60 mm。断线工况除了 DL/T 55512018架空输电线路荷载规范12 规定的断任意 1 根导线或地线外，还增加了断任意 2 根导、地线情况。6 种断线工况使杆塔形成了受弯、受扭和受弯扭三种受力形式。算例命名形式为 Xij，其中 X 代表塔型;i 代表断线工况，i=1 6 对应加载点及加载方向分别为1(+)、2(+)、3(+)、1(+)和 4()、2(+)和 5(+)、2