发表论文：输电塔覆冰承载力的分析方法及可靠

发布时间：2022-10-05 10:11 热度：

　　输电塔覆冰承载力的分析方法及可靠性
　　向哲，刘树堂
　　广州大学土木工程学院广州510006
　　摘要：本文针对输电塔在覆冰荷载作用下的稳定承载能力，提出了其分析理论，并结合杆系有限元分析方法，探讨了其建模及计算的可靠性，指出了今后的研究重点。
　　关键词：输电塔；覆冰荷载；有限元；极限承载力
　　对于重冰区的输电线路，架空线及塔架覆冰对线路的安全和稳定运行具有严重的隐患。为此，本文在结合目前国内外研究的基础上，总结了其分析理论及计算过程，并提出了设计中应该注意的几个方面，以提高电网的安全运行水平。
　　1.输电塔覆冰荷载分析及加载方法
　　按来源来分，输电塔所受荷载主要包括两部分：直接作用在铁塔自身的荷载（包括塔架自重、塔架风荷载）以及来自架空线的转化荷载（包括导地线自重、覆冰产生的垂直荷载及其引起的风荷载增加）。针对铁塔在重覆冰情况下的结构响应，最主要考虑的作用力来自覆载及覆冰后风载的增加。而对于多数直线塔而言，由于两侧无档距差或者档距差很小，分析时并未考虑两侧不平衡张力。结合杆系结构有限元程序特点，在使用SAP2000等软件对铁塔进行静态分析过程中，所有外荷载均作为节点集中力逐一加到铁塔节点上。对于塔架自重可由软件自行完成，仅需给出材料的截面等参数即可由软件自动计算并施加，考虑到实际铁塔构件之间采用螺栓和连接板进行连接，该部分质量占到结构总质量的10%～20%，计算时应乘以一个自重放大系数。计算铁塔的风荷载时，采用拟静力法，首先对铁塔按照不同高度进行分段，一般情况下即按照结构的自然分段来划分。具体处理为：按照各段轮廓面积计算出风荷载，再乘以相应的挡风系数（挡风系数为塔架沿风向的投影面积与其轮廓面积之比）得到各段风荷载值后，取与某杆件节点相连的所有杆件的一半长度所受的风载的合力作为作用在该节点的集中力，将杆件所受的风荷载等效为节点荷载。
　　关于架空线的荷载，则是从一个初始覆冰厚度（可取设计冰厚）开始考虑，并逐级增加冰厚（如以1mm为单位），由此得出不同的垂直荷载及水平风载值，将其加载至横担相应挂点处。值得注意的是，覆冰情况下，每增加一单位冰厚所产生的荷载是按平方关系的增长。
　　2.极限状态下稳定分析和强度计算的关系
　　结构丧失稳定，即屈曲，是指在外力作用下结构的平衡状态开始丧失，稍有扰动变形便迅速增大，最后使结构破坏【7】。对于输电塔等超静定结构而言，失稳破坏的原因主要是构件中轴向力的作用，其稳定承载力与刚度密切相关，而任一个杆件的失稳变形都将引起结构整体刚度矩阵的改变，应从结构整体的角度来分析稳定问题。
　　关于强度计算，通常在设计中主要指狭义的材料强度，而稳定尤其是第二类稳定是指广义的结构强度，失稳时相应的荷载称为极限荷载，此时由于结构整体软化或者材料屈服，结构一般将发生比较大的位移。这不可避免地涉及到结构的大变形等非线性有限元概念，应利用二阶弹塑性分析进行极限承载力研究。这种做法把内力分析和稳定性分析统一了起来，事实上现在关于结构稳定性的研究也已经扩展到结构极限强度的研究阶段，只是由于非线性分析的复杂性(比如初始缺陷、材料、几何非线性参数的选取)，实际工程中仅对高耸柔性结构等稳定问题比较突出的结构进行深入的稳定研究。
　　从力学角度来看，分析塔架结构极限承载力实质就是通过逐级增加荷载（即冰厚），不断求解计入几何非线性和材料非线性的刚度方程，而塔架在不断增加的外荷载作用下，刚度将不断变化，因此其问题本质即为外荷载产生的应力使结构的整体刚度矩阵不断改变并最终趋于奇异，利用有限元离散可得到如下方程
　　[Kt]•{ΔU}={ΔF}，（1）
　　[Kt]即为结构的当前刚度矩阵。
　　采用非线性有限单元