500kV输电铁塔运行下装配应力的研究

【摘 要】在超高压运行检修过程中，经常带电更换被破坏的塔材构件，由于多种不可预见因素的尺寸误差导致装配应力的产生。所以有必要研究装配应力对杆塔承载力的应力。本文通过Ansys模拟装配应力对杆塔极限承载力的影响。最后通过对杆塔在考虑装配应力下与正常情况下的极限承载力的比较得出其对整塔承载性能的影响。从而对杆塔设计、加工制作及组装更换提供有益的参考建议。

【关键词】输电塔；杆件误差；装配应力；极限承载力

由于不可预见因素导致运行中的铁塔出现构件破坏是超高压检修人员在运行检修中所面临的难题。因为在塔材的加工环节不可避免的会出现杆件尺寸误差、螺孔位置误差或者在运输过程中较长杆件势必会产生弯曲变形，所以就出现了实际情况下的组装困难。即便规范中不允许强行组装，但是在实际情况下这种强行组装是存在的。运行受力下的杆塔在组装过程中，由于以上误差的存在，经强行组装后，杆件便会产生装配应力，此装配应力会因杆件误差大小、外荷载等因素的变化而变化。这些都将对输电塔的承载力产生一定的影响。这种初变形及装配应力的存在，在灾害环境下显得尤为突出，超出正常范围的变形将危及输电塔构件的健康，甚至倒塔，引起电力、通信中断，从而造成巨大的经济损失。

目前，大多研究集中于分析输电塔覆冰、强风、地震等极限荷载下的整体性能，对输电塔在组装过程中由于各种杆件误差等因素所产生的装配应力对输电塔承载力的影响则缺少分析。因此有必要对运行中的铁塔构件更换的过程进行模拟，分析杆塔在组装后产生的装配应力对杆塔承载性能的影响，最后通过对杆塔在考虑装配应力下与正常情况下的极限承载力的比较得出其对整塔承载性能的影响。从而对杆塔设计、加工制作及组装更换提供有益的参考建议。

1 装配应力的简化模型

1.1 装配内力的简化求解

在含装配误差的杆件结点上施加单位力，通过Ansys软件计算出在单位力下各个结点的位移情况，通过对含装配误差杆件的分析，从而得出此杆件及其余杆件在装配误差下的内力情况。具体计算过程如下。

如图1所示，杆件AD、CD材料及尺寸相同，BE杆存在尺寸误差δ，求解进行强行组装后各杆件的装配内力情况。

图1 装配误差及施加单位力图示

图2 单位力作用下产生的位移情况

在D、E结点均施加单位力F，在单位力F下杆BE及D结点均产生位移LEE′、LDD′，如图2所示。假设产生装配误差δ时所需要施加的外力为X，则可得出：

X（LEE′+ LDD′）= δ

进而求出力X：

L■+ L■

用Ansys软件计算时，在施加单位力后可同时提取出杆AD 、CD及BE的应力应变情况，假设其轴向应力分别为σ■、σ■及σ■。则存在装配误差δ时组装后各杆件的应力情况分别为：

σ■■=Xσ■；σ■■=Xσ■；σ■■=Xσ■

则σ■■，σ■■，σ■■即为在装配误差δ下进行强行装配时所产生的装配内力。

1.2 装配内力的模拟

在计算输电塔结构时，同样用上述方法计算出各杆件的装配内力，将此装配内力以初应力或初应变的形式施加到各杆件，施加外荷载，从而计算结构构件中存在装配误差杆件时对结构承载力的影响情况。Ansys软件中初应力或初应变的施加方法可以通过INISTATE命令施加初应变。

在使用ANSYS进行结构分析时，可以把初始应力指定为一种“荷载”进行施加，但只能在静态分析和瞬态分析中使用（分析可以是线性，也可以是非线性），初始应力载荷只能施加在分析的第一个载荷步中，执行初始应力命令一次以上将覆盖先前的初始应力指定。本文模型中的Beam189单元就应用此命令进行初应变的模拟。

2 有限元模型的建立

2.1 计算模型

本文采用某500kV直线猫头塔为计算模型。该输电塔设计风速25m/s，呼称高为60m。采用有限元分析软件Ansys进行建模及计算分析。塔材为Q235和Q345钢，塔主材用Beam189单元模拟，其余杆件用link8单元模拟。

铁塔的自重荷载通过Ansys命令直接施加，导地线荷载转换到相应的输电塔节点上，塔身风荷载按照不同高度风振系数分为13段，每段的风荷载标准值按照设计规定计算，计算模型如图3。

图3 计算模型

2.2 初应变施加方法及求解设置

考虑到输电塔有限元模型为桁梁混合模型，既有杆单元link8单元，也有梁单元beam189单元，故杆件中出现的引起装配应力的初应变的施加采用前两种方法，杆单元采用在单元的实常数项直接输入的方法实现，梁单元采用初应变施加命令inis命令施加。含装配误差的杆件在选取，主要考虑输电塔现场的施工组装情况，及不考虑装配误差时输电塔达到极限承载力时破坏的杆件。

打开大变形效应、线性搜索、预测器等非线性求解选项。分两个荷载步进行施加，第一个荷载步，时间步长设为1，施加装配误差引起的初应变；第二个荷载步，时间步长也设为1，在第一步初应变引起的装配应力的基础上施加外荷载，采用增量加载方式，求解输电塔的极限承载力。

3 杆件存在尺寸误差引起装配应力的情况

为了考虑安全因素，带电运行中的铁塔在更换杆件时最好是单根依次更换，所以本文中只分析单根杆件更换装配应力的情况。

考虑单根杆件影响时，分别在塔头及塔身选择e671、 e1513 、e577、e585号杆件存在误差进行分析；误差值的选取以杆长的1‰为基数，依次增加，计算出杆件的极限误差值，通过对极限误差值的分析，计算极限误差值以内的单根误差杆件所引起的装配应力对极限承载力的影响。选取的杆件如图4所示。

图4 存在装配误差的杆件位置图

极限误差值的求解：

表1 杆件 e671存在杆长的2‰误差时的失效杆件及应力

通过以上对比可发现，位于塔身顶部的e577杆件存在杆长的3‰误差时，所引起的失效杆件较多，失效杆件的个数是其他误差杆的误差值达到极限值时的2-3倍，由此可发现此部位对杆件存在尺寸误差较为敏感，施工中应尽量避免在此部位使用存在误差较大的杆件。

图5 装配应力分布图

表2 杆件 e1513存在杆长的4‰误差时的失稳杆件及应力

图6 装配应力分布图

由图8及表1的比较可以看出，当位于塔身中部的e585杆件存在杆长的2‰倍误差值时，由于产生的装配应力较大，引起塔身中部多根杆件失效；而位移塔头下部及塔身上部位置的e1513、e577杆件，当误差值达到其长度的3‰倍及以上时才出现材料达到应变限制。由此可推测，在主要荷载风荷载的作用下，位于塔身中部杆件存在尺寸误差时，更容易引起输电塔的破坏。

在杆件的误差值控制在杆件长度的1‰内时，对输电塔承载力的影响较小。当误差值超过1‰及更大时，误差杆件及周围杆件会产生较大的装配应力，以至部分主要杆件达到材料屈服强度而破坏，使得整塔不能继续承载。

表3 杆件e577存在杆长的3‰误差时的失稳杆件及应力

图7 装配应力分布图

表4 最大装配内力值情况比较 单位：pa

图8 最大装配应力值比较

4 结语

通过实验模拟可得杆件尺寸误差不同对输电塔的承载力影响也不同。在2‰之内影响内力增加幅度不大。超出2‰，内力大大增加。装配应力作为一种施工过程中产生的不可预知的荷载，对于输电塔结构可能会产生不利影响，也有可能产生有利的影响，我们更关注其不利影响对输电塔承载力的影响，因此，在塔材加工及施工过程中，我们应当不断提高铁塔杆件加工的质量，严格加强现场施工管理，尽量避免的装配应力的产生。

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