苑士巖，趙風(fēng)雷

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021)

鋼管桿相比于常規(guī)角鋼塔，具有占地面積小、外形美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、施工方便、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)[1]。在城市輸配電線路中，特別是地形受限制或線路走廊擁擠的地區(qū)，鋼管桿發(fā)揮著重要作用，有效解決了城市用地緊張和電力線路需求增加的矛盾。

鋼管桿按結(jié)構(gòu)形式分為等徑桿和錐形桿，按截面形式分為圓形桿、多邊形(菱形)桿。鋼管桿設(shè)計(jì)采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用可靠度指標(biāo)度量其可靠性，在規(guī)定的各種荷載組合作用下，滿足線路運(yùn)行安全的要求。鋼管桿的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造工藝、施工方法(包括運(yùn)輸和安裝)以及運(yùn)行維護(hù)和環(huán)境因素[2]。

鋼管桿承受的荷載一般分解為橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載3種。橫向荷載是沿橫擔(dān)方向的荷載，如直線桿上的導(dǎo)線、地線水平風(fēng)力，轉(zhuǎn)角桿導(dǎo)線、地線張力產(chǎn)生的水平橫向分力等。縱向荷載是垂直于橫擔(dān)方向的荷載，如導(dǎo)線、地線張力在垂直橫擔(dān)或地線支架方向的分量等。垂直荷載是垂直于地面方向的荷載，如導(dǎo)線、地線重力等[3]，由外部作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較復(fù)雜，是軸力、彎矩、扭矩和剪力聯(lián)合作用相互疊加的情況，本文采用鋼管桿設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件(NSA)對(duì)整塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，并利用通用有限元軟件(ANSYS)對(duì)其結(jié)果對(duì)比分析。

1 鋼管桿的結(jié)構(gòu)特性

1.1 鋼管桿的截面及分段

根據(jù)鋼管桿主桿斷面特性分析，圓形斷面的截面抵抗矩最大、受力性能最好，材料相對(duì)耗用較小，但是其加工難度也最大；除圓形斷面外，正多邊形斷面也有廣泛的應(yīng)用(包括正十六邊形、正十二邊形、正八邊形)，各種鋼管桿主桿斷面形式在DL/T 5130-2001《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[3]中都有所推薦。對(duì)于直線桿和小轉(zhuǎn)角桿截面形式可以采用正八邊形或正十二邊形，從設(shè)計(jì)合理和經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，鋼管桿壁厚是逐漸變化的，這就要求對(duì)鋼管桿主桿進(jìn)行分段，而分段長(zhǎng)度又受施工運(yùn)輸和鍍鋅工藝的限制，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，分段長(zhǎng)度一般控制在10 m左右，一基鋼管桿中部法蘭數(shù)量不宜超過(guò)4個(gè)。本工程所采用的220 kV雙回路鋼管桿全長(zhǎng)為38 m，共分為4段，從上到下桿段長(zhǎng)度分別為：第1桿段9 m、第2桿段9 m、第3桿段10 m、第4桿段10 m，具體情況見(jiàn)表1, 各桿段采用外法蘭連接方式。

大轉(zhuǎn)角桿和終端桿可以采用正十六邊形或圓形。本工程所采用的220 kV雙回路鋼管桿，荷載大、受力復(fù)雜，綜合考慮設(shè)計(jì)、加工等因素，最終確定主桿斷面采用圓形截面。

表1 220 kV雙回路鋼管桿主桿信息 mm

1.2 鋼管桿的根徑、梢徑及錐度

從鋼管桿的截面特性計(jì)算公式可知，根徑和梢徑的大小對(duì)鋼管桿撓度控制有直接影響：根徑和梢徑越大，截面慣性矩越大，抗彎能力越強(qiáng)，在水平力作用下，其撓度會(huì)變?。幌啾扔诟鶑胶蜕覐?，主桿厚度對(duì)鋼管桿的撓度影響較小。鋼管桿的錐度主要與外部荷載大小有關(guān)，直線桿和小轉(zhuǎn)角桿的錐度小一些，大轉(zhuǎn)角桿的錐度要大一些以抵抗外力；在滿足撓度要求的前提下，適當(dāng)減小錐度，既能減少材料用量又可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)美觀。鋼管桿的錐度取值，需根據(jù)根徑、梢徑的大小以及撓度控制要求，綜合分析確定，力求達(dá)到“適用安全、經(jīng)濟(jì)美觀”的八字方針。

一般直線桿的梢徑取250～400 mm，錐度取1/75左右；轉(zhuǎn)角桿一般根據(jù)不同的轉(zhuǎn)角度數(shù)，梢徑取300～800 mm，錐度取1/65～1/35[4]。本工程所采用的220 kV雙回路轉(zhuǎn)角鋼管桿梢徑取400 mm，錐度取1/63。

1.3 材料選用

鋼管桿的材質(zhì)一般采用Q235和Q345，對(duì)于承受較大荷載的鋼管桿也可采用Q390。鋼管桿在外部作用下，會(huì)產(chǎn)生壓縮變形、彎曲變形以及扭轉(zhuǎn)變形，通過(guò)使用高強(qiáng)度鋼材(Q390)，可以提高結(jié)構(gòu)的抗壓、抗彎、抗剪和抗扭強(qiáng)度，從而節(jié)省材料用量；但是，采用強(qiáng)度高的材料會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，尤其是在低溫區(qū)可能會(huì)發(fā)生脆性斷裂。低強(qiáng)度鋼材(Q235和Q345)雖然用料多，但結(jié)構(gòu)延性好，目前在工程中仍被廣泛運(yùn)用。本工程位于蒙東地區(qū)，最低溫度為-40℃，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合對(duì)比、分析，鋼管桿最終采用Q345鋼材。

2 鋼管桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件

本工程采用電壓等級(jí)為220 kV的鋼管桿，雙回路架設(shè)，導(dǎo)線型號(hào)為2×JL/G1A-240/30鋼芯鋁絞線，地線型號(hào)為JLB20A-120鋁包鋼絞線以及24芯光纖復(fù)合架空地線OPGW-120；導(dǎo)線安全系數(shù)取8.0，地線安全系數(shù)取10.0。鋼管桿的水平檔距、垂直檔距均為150 m，設(shè)計(jì)呼高為21 m，全高為38 m，上相、中相和下相導(dǎo)線的風(fēng)壓高度系數(shù)分別為1.23、1.14以及1.04，地線風(fēng)壓高度系數(shù)為1.28。本工程設(shè)計(jì)風(fēng)速為28 m/s，導(dǎo)線最大覆冰厚度取10 mm，地線最大覆冰厚度取15 mm，最高氣溫為+40 ℃，最低氣溫為-40 ℃。

2.2 荷載組合

鋼管桿應(yīng)計(jì)算線路正常運(yùn)行情況、斷線(含分裂導(dǎo)線時(shí)縱向不平衡張力)情況和安裝情況下的荷載組合，必要時(shí)尚應(yīng)驗(yàn)算重冰區(qū)不均勻覆冰等稀有情況。本工程雙回路鋼管桿采用的荷載組合情況如下[3]。

2.2.1 正常運(yùn)行情況的荷載組合

正常運(yùn)行情況的荷載組合考慮以下3種工況：最大風(fēng)、無(wú)冰、未斷線；最大覆冰、相應(yīng)風(fēng)速及氣溫，未斷線；最低氣溫、無(wú)冰、無(wú)風(fēng)、未斷線。

2.2.2 斷線情況的荷載組合

斷線情況的荷載組合考慮以下2種工況：同一檔斷任意兩相導(dǎo)線、地線未斷、無(wú)風(fēng)、無(wú)冰；斷任意一根地線、導(dǎo)線未斷、無(wú)風(fēng)、無(wú)冰。

2.2.3 安裝情況的荷載組合

應(yīng)按10 m/s風(fēng)速、無(wú)冰、相應(yīng)氣溫的氣象條件下荷載組合安裝，錨地線、錨導(dǎo)線，緊地線、緊導(dǎo)線時(shí)考慮以下2種工況：錨地線時(shí)，相鄰檔內(nèi)的導(dǎo)線及地線均未架設(shè)；錨導(dǎo)線時(shí)，在同檔內(nèi)的地線已架設(shè)。緊地線時(shí)，相鄰檔內(nèi)的地線已架設(shè)或未架設(shè)，同檔內(nèi)的導(dǎo)線均未架設(shè)；緊導(dǎo)線時(shí)，同檔內(nèi)的地線已架設(shè)，相鄰檔內(nèi)的導(dǎo)線已架設(shè)或未架設(shè)。

2.3 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

NSA用于由梁元和/或桁元所組成的構(gòu)架分析，特別適用于鋼管桿分析計(jì)算[5]。其計(jì)算主要過(guò)程如下：快速輸入主柱鋼管桿，計(jì)算荷載并導(dǎo)入，輸入計(jì)算控制參數(shù)，有限元計(jì)算，瀏覽、閱讀計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)鋼管桿基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入方法的不同，分為手工輸入分段數(shù)據(jù)和快速輸入鋼管桿數(shù)據(jù)兩種方法。手工輸入分段數(shù)據(jù)的方法，需要用戶手工輸入分段數(shù)據(jù)，并輸入桿件力學(xué)參數(shù)及連接桿件等數(shù)據(jù)，操作比較復(fù)雜；快速輸入鋼管桿數(shù)據(jù)的方法，用戶可以快速的輸入節(jié)點(diǎn)、桿件以及相應(yīng)的桿件連接數(shù)據(jù)等，在用戶輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)填寫桿件力學(xué)參數(shù)和連接數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)便、節(jié)省時(shí)間，是推薦的一種建模方式[6]。

建立鋼管桿計(jì)算模型后，需對(duì)其施加外部荷載，有用戶手工輸入集中荷載和程序自動(dòng)計(jì)算兩種方法，根據(jù)需要，用戶也可以兩種方法結(jié)合使用，以提高工作效率。節(jié)點(diǎn)荷載輸入完畢，填寫控制參數(shù)，之后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，用戶可以在【高級(jí)直接操作】菜單下選中【1.顯示全部計(jì)算結(jié)果(A)】查看有限元計(jì)算成果。本工程各桿段最不利受力情況以及應(yīng)力比見(jiàn)表2, 各桿段扭矩為0。

表2 NSA計(jì)算結(jié)果

3 ANSYS有限元分析

3.1 有限元模型

有限元模型采用Shell 181單元。它是一個(gè)4結(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：x方向、y方向、z方向的位移自由度和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，適合對(duì)較薄或有一定厚度的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；Shell 181單元非常適用于結(jié)構(gòu)非線性大變形分析，在該單元應(yīng)用范圍內(nèi)，完全積分和降階積分都是適用的[7]。采用多點(diǎn)剛性約束(MPC)的方法來(lái)模擬桿件端部法蘭連接，這種方法可以將外力均勻的傳遞到構(gòu)件上，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

本文對(duì)鋼管桿第4桿段進(jìn)行ANSYS有限元建模分析，頂、底端直徑為1 284 mm和1 600 mm，壁厚為12 mm，鋼管桿斷面為圓形。對(duì)底部所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定約束，用來(lái)模擬固定端；頂部采用MPC，并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)施加外力。分3個(gè)荷載步對(duì)模型進(jìn)行軸力、剪力、彎矩的施加，具體數(shù)值見(jiàn)表2；通過(guò)迭代計(jì)算，得到桿件的應(yīng)力分布以及最大應(yīng)力值。所采用的Q345鋼材主要力學(xué)性能指標(biāo)為：屈服強(qiáng)度為310 MPa，彈性模量為206×103MPa，泊松比為0.3。

3.2 計(jì)算結(jié)果及結(jié)果分析

加載計(jì)算完成后，通過(guò)后處理器，提取模型的等效應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖1)?？梢钥闯觯簭澗刈饔闷矫鎯?nèi)的應(yīng)力最大、平面外應(yīng)力最小，說(shuō)明鋼管桿主要是由彎矩作用控制；鋼管桿變形為彎曲變形，延性好，能為架空線路的安全運(yùn)行提供可靠保障；桿件最大應(yīng)力為266 MPa，相應(yīng)的應(yīng)力比為85.81%，與NSA計(jì)算結(jié)果比較吻合。

圖1 鋼管桿有限元等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文利用NSA對(duì)興安-音德?tīng)朓I回220 kV線路工程雙回路轉(zhuǎn)角鋼管桿進(jìn)行建模計(jì)算，并利用ANSYS對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到了以下一些結(jié)論。

a.鋼管桿主桿控制工況為大風(fēng)工況，以彎曲變形為主，延性好。

b. ANSYS中的Shell 181單元能有效模擬薄壁桿件受力狀態(tài)，在解決許多收斂困難問(wèn)題上，比低階單元更有優(yōu)勢(shì)。

c.采用MPC方法模擬鋼管桿法蘭連接，可以避免試件端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象；從試件的應(yīng)力分布來(lái)看，這種施加約束的方法可以較真實(shí)地反應(yīng)試件的約束狀態(tài)，值得推廣使用。

d.NSA計(jì)算結(jié)果與ANSYS分析結(jié)果比較吻合，計(jì)算誤差在0.5%以內(nèi)，可根據(jù)工程實(shí)際情況，選取本軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。