甘鳳林，趙 甲，胡坤琪，成印建，陳 波

(1．東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012;2．陜西省漢中供電公司，陜西 漢中723300)

轉角塔在兩側導線、地線的張力以及風載作用下，合力方向為轉角塔的內(nèi)角方向，導致鐵塔在內(nèi)角側會產(chǎn)生一定的撓曲，在新建的送電線路竣工驗收和日常的運行檢修中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)轉角塔結構傾斜超標。造成這種情況的原因除了鐵塔自然、加工等因素外，絕大多數(shù)是由于預偏不當造成的，因為預偏值的研究一直是一個比較模糊的區(qū)域，所以有的施工單位干脆不考慮預偏，給架線后線路的正常運行留下了隱患。

架空輸電線路設計規(guī)程中規(guī)定:“設計中應根據(jù)桿塔特點提出施工預偏要求，預偏數(shù)值應保證桿塔不向內(nèi)側傾斜，轉角桿塔不向轉角內(nèi)側傾斜”［1］、“在荷載的長期效應組合作用下，轉角塔的計算撓曲度不超過塔高的7‰”［1］。為保證轉角塔緊線后及將來的運行過程中不向內(nèi)角側傾斜［2］，在基礎施工過程中就應該考慮轉角塔向外角側方向預傾斜的問題，但預傾斜多少才能既保證基礎角鋼與鐵塔連接恰當，又使鐵塔架線前向外角側預傾斜合理，一直是施工技術人員多年來探索的問題。本文對此進行了研究。

1 有限元模型建立

選用剛桁架模型建立轉角塔，以梁單元BEAM188模擬輸電塔主材和主腹桿桿件，用桿單元LINK8模擬次腹桿桿件，梁單元圍成鐵塔模型的整個框架。對輸電塔模型進行模態(tài)分析，各低階陣型并無出挑現(xiàn)象，說明結構各桿件和節(jié)點連接完好，得到的模型的第一階頻率f1=2.09。設計規(guī)程給出的經(jīng)驗公式為

式中:H為桿塔高度，b為塔頭寬度，B為根開寬度。計算得出f=2.131。由于規(guī)范自振周期公式是基于鐵塔均布質(zhì)量理論得出的，而ANSYS有限元模態(tài)計算時計入了橫擔質(zhì)量，雖然兩者計算結果不完全一致，但是后者更接近于現(xiàn)實情況。

2 荷載的施加

在長期效應組合下(無冰、風速5 m/s及年平均氣溫)進行輸電塔結構分析時，應考慮自重、風荷載、導地線張力。風荷載和導地線張力以等效靜載的形式作用在塔架模型上，塔架風荷載計算時按不同風壓高度變化系數(shù)把塔架模型分為15段，將風載加載在桿塔主材節(jié)點上。將輸電塔整體旋轉就可以達到預偏的目的，設預偏值之后，傾斜的角度荷載換算成直角坐標系下的荷載進行加載?；A預偏值從5 mm開始，以5 mm為額度逐漸增加，每增加1次就整塔旋轉1次，換算1次荷載，如圖1、圖2所示。

圖1 未設預偏加載示意圖

圖2 設預偏加載示意圖

3 固定轉角度數(shù)的數(shù)據(jù)提取及分析

在3種工況中，選取最不利工況，且風從反受力側超受力側為例，經(jīng)過多次反復計算之后，提取應力軸力位移等數(shù)據(jù)，

從架線前后桿塔和鉛垂線位移圖3可以看出，架線前基礎預偏值為0～135 mm時，桿塔向反受力側偏移幅度劇增，基礎預偏值每增加1 mm，塔頂相對于鉛垂線的位移就增加5.8 mm。架線后，隨著基礎預偏值的增加，桿塔相對架線前的變形越來越小，在0～135 mm范圍內(nèi)，變化幅度達18 mm，便于用重力平衡外力。

各方向節(jié)點位移如圖4所示。圖4也證明了這一點，此時也是節(jié)點的位移，X正向位移減小幅度達20 mm，Z方向負向位移減小幅度達10 mm，而Y方向不變，始終維持在7～8 mm。由應力變化圖5可得，拉應力和壓應力都隨著預偏值的增加而減小，基礎預偏值從0 mm增加到135 mm時，拉應力減小9%，壓應力減小4%。

圖3 架線前后桿塔和鉛垂線位移

圖4 各方向節(jié)點位移

圖5 應力變化圖

由基礎預偏值和預偏率的變化圖6可以看出，預偏率由基礎預偏值0 mm時的－8.84‰到基礎預偏值53 mm時的0，再到基礎預偏值135 mm時的13.18‰。負值表示桿塔受力后向內(nèi)側(受力側)偏，顯然這是不允許的，正值剛好相反。根據(jù)桿塔設計規(guī)程的7‰為原則，合理的基礎預偏值和桿塔預偏率的數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 基礎預偏值和預偏率的變化圖

表1 合理的基礎預偏值和桿塔預偏率數(shù)據(jù)

4 擬合曲線與最佳預偏值的確定

利用準牛頓法與通用全局優(yōu)化法擬合出基礎預偏值與架線前后塔頂位移的曲線，回歸出函數(shù)的優(yōu)點，架線前后可以對比，實測的和理想的有出入，可以用函數(shù)反算出調(diào)節(jié)多少基礎預偏值。

基礎預偏值與架線前塔頂與中垂線位移方程為

基礎預偏值與架線后塔頂與中垂線位移方程為

最佳預偏值的確定原則:保留一定施工於度、桿件內(nèi)力小、與中垂線的位移符合規(guī)范要求，保證架線前，預偏之后桿塔在自重條件下向外側位移最小。

按照設計規(guī)范7‰的規(guī)定和驗收規(guī)范不向內(nèi)側傾斜的要求，合理的基礎預偏值與受力后相對于鉛垂線之間的距離以及預偏率如表2所示。規(guī)范7‰是255.5 mm，但在架線前基礎預偏值越大，桿塔所受的軸力就越大，如圖7所示。從圖7可以看出，這對架線前的桿塔來說是不利的;即便架線后預偏值越大，應力、軸力等在充分利用自重平衡外力的作用下都是變小的。另外考慮施工的於度和精度，讓預偏率保證在2‰內(nèi)是很難的，參照外國的2.08‰，建議基礎最佳預偏值選擇在70～75 mm，就能保證桿塔在架線撓曲后預偏率在2.56‰～3.37‰。與規(guī)范的7‰相比，要精確很多。

表2 合理的基礎預偏值與受力后相對于鉛垂線之間的距離以及預偏率

圖7 轉角度數(shù)與桿塔的變形圖

5 固定基礎預偏值、改變轉角度數(shù)的數(shù)據(jù)提取及分析

在最佳基礎預偏值70～75 mm內(nèi)，以70 mm為例，對轉角塔改變轉角進行研究。改變轉角意味著改變角度荷載，首先計算出不同轉角度數(shù)的荷載值。

圖8 轉角度數(shù)與預偏率的關系

由轉角度數(shù)與預偏率的關系圖8可以看出:隨轉角度數(shù)增加，架線受力后塔頂位移增加;相對于鉛垂線的位移也從－397.11 mm(也就是說預偏太大了)到 －93.77 mm，預偏率分別為 －10.87‰與－2.569‰，按照規(guī)范要求只有轉角為20°～40°的桿塔基礎預偏值設為70～75 mm時，完全符合7‰的要求。但是從本文來看，朝外側傾斜的越多，桿塔的內(nèi)力等都是減小的，是有利的。同時，在工程上－10‰左右的預偏率是可以接受的。

由各節(jié)點位移與轉角度數(shù)的關系圖9可以看出，隨著轉角度數(shù)的增加，X方向的位移與綜合位移在轉角4°之后同比例增大，Y方向位移先由正到負，再到正(向Y正向，再向Y負向，再到Y正向)，即在4°～30°，Y向位移為負，Z向位移逐漸變大。

圖9 各節(jié)點位移與轉角度數(shù)的關系

由轉角度數(shù)與應力關系圖10與轉角度數(shù)與應力關系圖11可得:在0°～26°，拉應力與受拉桿件的軸力幾乎都維持在78 MPa，而在26°～40°，拉應力增加明顯;在0°～40°，壓應力一直增大，受壓構件的軸力也一直增大。由轉角度數(shù)與應力趨勢圖12和轉角度數(shù)與軸力趨勢圖13看出:在0°～26°，轉角度數(shù)每增加1°拉應力與受拉構件軸力的幾乎不增加，在26°～40°之后，轉角度數(shù)每增加1°拉應力增加10 MPa;在0°～40°，轉角度數(shù)每增加1°壓應力增加10 MPa。而軸力更不一樣，0°～28°，受拉構件的軸力幾乎不變，28°～40°，每增加 1°，受拉構件的軸力增加4 000 N左右;對于受壓構件，0°～6°，每增加1°軸力增加2 500 N 左右，6°～40°，按照 34 000 N比率增加的。

圖10 轉角度數(shù)與應力關系圖

圖11 轉角度數(shù)與應力關系

圖12 轉角度數(shù)與應力趨勢

圖13 轉角度數(shù)與軸力趨勢

6 結論

1)當西北地區(qū)常用的特種桿塔的最佳基礎預偏值為65～95 mm時，建議最好調(diào)到70～75 mm，因為此時預偏率在2% ～3%，便于施工，桿塔更安全。

2)對于其他類型的桿塔，應按照經(jīng)驗公式計算出最佳預偏值，加上25%的施工於度，這樣可以更好地與理論計算吻合。

3)可用擬合出的基礎預偏值與架線前后塔頂位移的函數(shù)，在架線前后或者運行檢修時可反算出基礎預偏值和塔頭位移的關系，以便調(diào)節(jié)。

［1］ 張殿生．電力工程高壓送電線路設計手冊［M］．北京:中國電力出版社，2003．

［2］ GBJ 233－90，110～500 kV架空線路施工及驗收規(guī)范［S］．