强风作用下高压输电塔破坏分析

袁刚

（国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司,河北 秦皇岛 066000）

输电塔线体系是输电线路的主干线，是高负荷电能输送的载体，也是重要的生命线工程。与一般的工程结构相比，兼有高耸结构和大跨度结构的共同特点，对风荷载等灾害荷载反应敏感，容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的倒塌破坏。由于塔线体系轻质、高柔、小阻尼的特性，其风损和风毁在世界各地频发，给各国带来了巨大的经济损失。因此，为保证塔线体系的安全性与可靠性，研究风荷载作用下各种因素对塔线体系动力响应的影响具有非常重要的现实意义。

塔线体系是由输电塔、导地线、绝缘子串等组成的复杂空间耦联体系，导地线的振动具有较强的几何非线性及密集模态的特点，其动力行为对输电塔的风振响应影响显著。针对塔线耦联效应对其动力响应的影响，国内外学者已经开展了大量的试验研究与理论分析。通过五塔四线耦联模型风洞试验揭示了塔线耦联体系的风荷载传递机制，研究表明导线及绝缘子的振动对输电塔具有重要影响，随着风速的增加，导线高阶振型对振动能量的贡献增大。对比了单塔与塔线体系完全气弹模型在多个风向角、多级风速下的风洞试验，发现塔线体系的风致振动具有非线性内共振的特点，导地线的存在使得塔线体系的位移和应力响应比单塔时的显著增大。通过单塔和一塔双线体系风洞试验研究，得出输电塔的响应可分解为共振响应与背景响应，通过分析塔线耦合作用对两部分分量的影响，揭示了塔线体系的风振响应特性。两种求解塔线耦联体系在平面动力特性的计算模型，分析了塔线跨数、边界条件、导线的质量和垂跨比对塔线体系在平面动力特性的影响，探讨了塔线耦联对输电塔和导线振型的影响。提出了塔线体系多质点模型，利用能量原理建立了塔线体系动力分析方法，结合大量理论分析和试验研究，提出了可供工程应用的塔线体系简化抗震设计实用计算方法。提出了塔线体系非线性耦合振动的动力学模型，研究了导线的耦合振动特性和能量传递机理。张琳琳等研究了三塔两线模型的风致动力响应，结果表明，塔线耦联效应可使该输电塔顺风向动力反应较规范拟静力分析明显增加。大量的研究表明，塔线耦联效应对塔线体系有重要影响，设计中不可忽略这种作用。

一、输电塔有限元模型的建立

塔高46.95m，呼高40m。如图1 所示，铁塔由单角钢用螺栓偏心连接而成，角钢截面为“L”型，铁塔辅材采用Q235 钢，主材采用Q345 钢，采用23 种不同截面规格角钢，角钢材料参数如表1所示。在有限元模拟软件ABAQUS中，将铁塔模型建立完成。

表1 角钢材料参数 导出到

二、风场模拟

风荷载计算采用《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)中规定的方法，如下式：

ωK=βZμSμZω0

ω0=v2/1 600

式中：ωK 为杆塔塔身或横担风荷载的标准值（KN）；βZ 为z 高度处的风振系数，取1.67；μS 为风荷载体型系数，取2.6；μZ 为风压高度变化系数，取1.17；ω0 为基本风压（KN/m2）；v 取30 m/s、40m/s。

在加载时具体计算塔身结构构件迎风面的投影面积，将风荷载转换为风压，平均的分配到每段塔迎风杆件节点上。

三、风速40 m/s 时输电塔静力响应分析

铁塔倒塌的过程如下：如图2 所示，输电塔在风速为40m/s 的风荷载持续施加下，经历了13.3s 最终破坏。风荷载加载到5s 时，塔身情况如图2（a）所示，塔身轻微倾斜，塔身内部最大应力达到34.12MPa；在10s 时，如图2（b）所示，塔身倾斜明显，最大应力出现在塔身中段主材，为140.4MPa，直至13.3s，如图2（c）所示，塔脚与塔身连接处背风面主材达到550MPa 屈服应力，杆件发生失稳破坏，其附近的杆件相继失稳破坏，输电塔最终失去承载力，塔身主材及辅材发生大范围破坏，最终无法继续承受风荷载发倒塌。

根据图3 所示，可以看出塔脚、塔身、塔顶三点位移随时间的变化。塔顶位移随时间变化最大，在输电塔失去承载力时，塔顶位移达到780.72mm。其次是塔身，位移达到260.81mm，最后是塔脚，破坏时位移只有10.66mm。

迎风面三点的应力，与50m/s 风速工况对比，三点应力变化情况差异不大。塔顶应力最大达到19.81MPa，塔身中点在0～13s 过程中，应力随荷载的持续施加逐渐增大，到144.93MPa，在第13s 至破坏过程中应力变化不大，甚至稍有减小。塔脚应力在0～10s 过程中与塔身中点相似，应力逐渐增大到161MPa，随后应力突然增大，直到261MPa，并未达到屈服强度。塔顶应力最大至6.28MPa，塔身中点背风面应力与迎风面变化类似，0～13s 逐渐增大至146.96MPa，而后变化不大，塔脚处应力在0～13s 内由0MPa 增至2.78MPa，而后应力在3.3s 内突然增大，直到366.76MPa。原因与分析50m/s 工况时相似，可能因为应力集中。

四、导地线初始张力

我国规范规定，导线和地线的设计安全系数不应小于2.5，考虑接头等降低导线强度的因素，导地线的最大许用张力为

式中：T 为导地线的最大许用张力，Tp 为导地线的计算拉断力，kc 为导地线的安全系数，0.95 为考虑导线接头等强度降低的因数。

导地线的初始形态会随初始张力的变化而改变，建立有限元模型时，需要根据导地线的初始张力进行循环找形。在实际施工及运营过程中，导地线的初始张力与其设计张力必然有所偏差，因而有必要研究初始张力变化对塔线体系动力响应的影响。

本节以图3 所示的塔线耦联模型为基本模型，该模型导地线的设计安全系数取4.0，单根导线的计算拉断力为143.93kN，初始张力为35.98kN，单根地线的计算拉断力为58.04kN，初始张力为9.92kN。以基本模型为基础，建立导地线初始张力增大30%的塔线耦联模型1 和导地线初始张力减小30%的塔线耦联模型2，对上述模型施加基本风速为20m/s 的脉动风速时程进行动力分析。

五、结语

背风面主要受压，这时的主材承受轴向压缩，横截面尺寸发生突然改变致使截面上应力不再均匀分布。同时从云图中可以分析出，有杆件达极限屈服应力，最终发生破坏。所以，在后续的加固工作中，应格外关注塔腿与塔身连接部分。