长沙理工大学 土木工程学院 湖南长沙 410114
摘要：我国高压电网建设近年来快速发展，同时也呈现出了很多新特点。输电塔线体系日趋呈现出杆塔高耸结构、导线截面粗大、多回路、档距长、呼高大、负荷大、柔性强等特点，这都给输电线路可靠性和安全性带来挑战，确保电力输电线路在各种因素的综合作用下能够安全可靠地运行是非常必要的。同时，由于输电线路运行距离长，跨越地域广，其穿越地区气象及地理条件非常复杂，导致输电线路处于的荷载工况十分复杂，结构破坏失效的几率变得很大。因此如何确保输电线路安全可靠的运行，是摆在我们面前急需解决的难题[1-2]。
关键词：杆塔；有限元；可靠度
1项目总体情况
本工程线路从规划220kV石西变向西南出线，出线后向南走线，至下汪家庵西北侧后向西南转向，跨越在建的荆岳铁路后平行于孱陵-石西Ⅰ回走线。经过高桥、姜家台、花眉堰、王家垱、刘家台至四支渠，后转南沿四支渠走线至烟堆岗，沿已有35kV线路北侧走线，跨越三支渠，在车落湖南侧经栗林岗、刘林咀、段家湾、王刘垸至藕池河。在跨越藕池河后，经过红阻咀，跨越安乡河，避让油膏厂，经倪家塔，平行220kV孱笔线南侧向西北走线，经康家岗、七星桥、高家院子、邓家岗、扁担鱼场、至五美堂转西，跨越渠道和大片藕塘后，经张家围、乐善寺至虎渡河。线路从康家岗堤防至乐善寺虎渡河堤在荆江分蓄洪区、虎西预备分蓄洪区内走线。线路继续向西经朱家咀，在跨越2条110kV线路和江南高速公路拟建联络线至孝感桥转西北，再经白虎咀、段家岗，跨越章田至孟溪公路后转西，平行公比Ⅰ回南侧向西走线，至牟家八字门、肖家园，跨越郝家湖湖汊、朱良巷、杨家湖、杨雀山、跨越S226省道至松滋东河。
2杆塔整体有限元模型
杆塔模型采用ANSYS有限元软件模拟，由于其质量较轻、刚度较大，自力式输电塔在荷载下的位移并不明显，在风荷载下的杆塔可以视作线弹性构件，可以采用BEAM188单元模拟。杆塔结构悬挂的输电线在风荷载下具有位移大、应变小的特点，可以视作悬索构件，可以采用LINK180单元模拟。BEAM188：该单元适用于细长梁，是以Timoshenko梁理论为基础的三维线性梁，可以考虑扭转变形，该单每个节点有6~7个自由度，通过KEYOPT(1)来控制，当(默认)=0时，即每个节点有6个自由度，分别沿着x、y、z三轴向移动及转动，当（）=1时，会增加一个翘曲量的自由度，即7个自由度。该该单元是适用于线性分析及大变形、大应力的非线性分析。LINK180：该单元广泛应用于缆索、弹簧、桁架的模拟，这是一种拉压单元，每个节点具有3个自由度，沿着x、y、z三个方向轴向移动，不承受弯矩作用。具有塑性、旋转、移动、大应变、弹性、各向同性、各项异塑性等功能。该单元可以通过两个节点、截面积、材料特性等属性定义。
3杆塔的整体可靠度分析
3.1分析方法
杆塔结构是一种非理想弹塑性构件，而经典体系可靠度研究是针对理想弹塑性或不倒弹塑性结构的概率，所以经典体系可靠度分析并不适用。本文对铁塔的可靠度的分析主要通过杆塔结构整体的破坏形态来表现，即当杆塔处于屈服状态时，即处于失效状态。
针对可靠度分析的方法，诸多学者提出了诸多不同体系的可靠度理论，其中Monte Carlo法是一种随机抽样法，该法针对于大型较为复杂的结构体系可靠度分析有着较好的适用性，但由于常常需要进行几万甚至几十万次的计算，耗时过长，效率较低，常作为一种精准解进行比对。
（1）等价描述法[3]
通过对构件本身的整体可靠度物理概念进行分析，使用单一性的功能函数进行表达，从而将其转化从单失效模式的可靠性问题，该模式计算较为简单。
对于杆塔构件整体屈服可靠度的物力意义，当结构自身整体屈服承载力低于外部荷载作用是，则杆塔结构失效，当与之相同时，则认为结构达到承载力极限状态，当结构自身屈服承载力高于外部荷载时，此时杆塔结构处于安全状态。
故，杆塔整体屈服可靠度函数可用如下式表示，
其中， 、 分别表示结构自身屈服承载力、外部荷载强度因子，当杆塔结构处于失效状态时，即 。
3.2整体屈服的可靠度
杆塔结构本身具备复杂性，在进行相关可靠度计算时，只有借助于有限元数值模拟的方式将极限函数的响应值求解出，并不能得出具体的极限函数表达式，故针对于需要表示式的杆塔体系结构度计算并不能很好地适用。一些学者如Zhao等人提出的矩阵方法，可以很好得将表达式求解出来，等价功能函数此时可以很好地应用于此，故将等价功能函数与矩方法相结合，就可以将杆塔结构可靠度问题解决好，故本次有限元模拟中杆塔结构可靠度分析矩阵方法主要是基于Rosenblatt变化矩阵法。
杆塔结构在恒载、覆冰、风荷载组合作用下的整体屈服可靠度计算与恒载、风荷载组合作用下的计算方式相同，详细计算过程不再重复。
典型杆塔整体屈服可靠度计算结果统计如下：
表1.1 杆塔屈服可靠度指标数据统计
注：此处恒载+风荷载—恒荷载+90°水平风荷载；恒载+风荷载+覆冰荷载—恒荷载+覆冰荷载+10m/s水平风荷载。
由表3.5结果数据可知，绝缘猫头塔、水平干字型耐张塔的整体屈服可靠度均大于3.7，从荷载工况来分析，恒载+风荷载下的杆塔可靠度指标明显低于恒载+风荷载+覆冰荷载工况，故荷载组合下的最不利因素选取恒载+风荷载，即作为控制性工况。
5本章小结
本章节对项目的总体状况、模拟单元信息、分析方法，并进行杆塔整体屈服可靠度计算，结果表明将恒载+风荷载组合因素作为控制性工况。可为其他项目提供参考。
参考文献：
[1]范文亮,李正良,韩枫.单变量函数统计矩的点估计法性能比较[J].工程力学,2012,29(9):1-10,16.
[2]李洪双,吕震宙,袁修开.基于Nataf变换的点估计法[J].科学通报,2008,06:627-632.
[3]李茂华.1000kV级特高压输电杆塔结构可靠度研究[D].重庆大学,2012.
论文作者:葛威廷
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/25
标签：杆塔论文; 荷载论文; 可靠论文; 结构论文; 线路论文; 塑性论文; 工况论文; 《基层建设》2018年第33期论文;