基于多荷载工况下的输电塔模型受力分析浅谈

基于多荷载工况下的输电塔模型受力分析浅谈

成全帅李云豪张传弟

齐鲁理工学院土木工程学院250200

摘要：由于输电塔所处环境、地形复杂，承受包括风荷载、冰荷载、导地线荷载等多种荷载作用，其在多种荷载工况下的受力情况分析就显得尤为重要。本文采用模型模拟分析的方式对多种荷载作用下的电塔模型进行了分析，并得出相关结论。

关键词：输电塔；多工况；荷载

引言

我国是世界最大的能源消费国，能源供应能力的提升在我国主要受到能源资源分布不平衡以及各地区经济发展不平衡的制约，尤其是近年来我国能源开发加速向西部和北部转移，更使能源基地与负荷中心的距离越来越远。因此，为满足我国能源大规模、远距离输送和大范围优化配置的迫切需要，发展特高压输电通道已成必然。由于输电塔所处环境、地形复杂，承受包括风荷载、冰荷载、导地线荷载等多种荷载作用，其在多种荷载工况下的受力情况分析就显得尤为重要。

1.研究意义

输电塔长细比可达几十甚至上百，高度可达几百米，由导线和各个输电塔连接而成的连续体，是一种特殊的结构形式。输电塔架的外形特点决定了竖向荷载的作用对其影响很小，而风荷载在很多情况下对输电塔来说是控制荷载。目前全国范围内输电铁塔遭到破坏的情况相当严重，倒塔事件时有发生。以我国台风多发地区广东省为例，近10多年来就发生了多次重大事故。2003年4月，河源市受到飓风灾害，倒塔205座；2003年9，台风杜“杜鹃”在广东肆虐，共计造成227次输电线路事故，造成大面积停电；2015年10月，台风“彩虹”在湛江市登陆，造成35kV及以上线路跳闸256条次，造成35kV及以上线路80基塔受损，涉及31条线路。输电塔倒塌的原因既有施工质量、材料质量等方面的不足，也有在设计过程中对输电塔线体系在多载荷作用下的响应特性了解和重视程度不够，因此对输电铁塔的多荷载研究是有意义的。

2.基础计算理论

2.1模型模拟材料参数

使用竹材进行实体模型制作，对杆件材料进行了详细的分析，并行进行了相关试验。利用万能实验机测量木材顺纹抗压强度。根据试验结果拟合得到压力—位移曲线

2.2杆件计算依据

根据结构特点，结构承重杆件分布于塔身的四根受力柱。

对基础杆件进行各个情况下的验算，验算公式如下

（1）对于受拉杆件要保证拉应力小于材料强度：

3.软件模拟

根据结构特点以，我们使用midasgen（迈达斯）软件进行受力分析，第一级在任意挂点上施加斜向荷载，加载点施加12kg的斜向荷载；第二级加载，在一级荷载的基础性选取剩下的挂点施加荷载，每个挂点施加12kg的荷载；第三级加载，在两级的荷载基础上，施加水平拉力。

通过软件模拟分析一级荷载应力图可以看出柱子一侧受压，另一侧受拉，且在柱底产生的拉力和压力最大。二级荷载选取最不利的荷载加载工况，通过软件模拟分析出加载点和底座处加载点受荷载较大，所以需对加载点进行加固。二级荷载应力图可以看出柱子两侧均受压，斜拉杆受拉，且拉杆的拉力大于柱子的压力。第三级加载，在前两级的荷载基础上，施加固定方向的水平荷载。分析结果如下图所示。通过软件模拟分析，从三级荷载弯矩图可以看出结构上部受力较大，且在斜拉杆两端产生的力最大，说明斜拉杆的强度被充分利用。三级荷载应力图可以看出柱子一侧受压，另一侧受拉，但由于斜拉杆的作用柱子所受拉力较小。观察第三级荷载位移，发现桁架水平位移最大。

由结构的应力图、位移图可以得到，结构在加载过程中最大竖向变形为26mm,横向变形为30mm,且结合大量试验我们可以估算出该结构竖向变形约37mm,横向变形约为40mm。基本为弹性变形，除去结构初始连接变形外，其余变形均可恢复。因此，结构变形满足要求，结构强度符合要求。

4.结论

模型使用了三条拉杆对二级荷载的抵抗能力大大加强。轻质高强度结构，能够达到相同承重效果，结构更加轻便。此结构对于结点处进行加强，防止结点处因为受力而破坏。外部拉杆可以将二级荷载的扭力转化为竖直压力，结构更加稳定。柱子容易出现受压失稳，在制作过程中由于制作误差会导致柱子本身存在一定弯曲，从而增大了荷载作用下柱子的弯曲，不利于保证其稳定性和承载能力。拉杆连接之后的松紧较难把握，容易影响扭力转化效果。

在力学上材料在外力作用下抵抗破坏(变形和断裂)的能力称为强度。强度是结构零部件首先应满足的基本要求：而刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力．是材料或结构弹性变形难易程度的表征。实际工程结构受到拉压力、弯矩和扭矩．发生拉弯扭复杂的组合变形。另桁架结构在三种作用下的强度、刚度、稳定性都需要满足要求，因而需要对结构的内力、变形的稳定以及局部稳定进行详细分析。

最终结果多次实验证明了在多种荷载作用下结构的强度、刚度和稳定性三者缺一不可。他们是有机的统一体。在设计时首先要进行合理的大胆想象。然后通过大量的实验及理论分析模拟选择合理的模型方案。根据理论及试验分析，提高结构的整体性能以保证其更好的发挥作用。

参考文献：

[1]刘艳,胡毅等，高分辨SAR卫星监测特高压输电铁塔形变[J].高电压技术,2009

[2]周浩,余宇红.我国发展特高压输电中一些重要问题的讨论[J].电网技术,2005(12):1-9