CN105389436A - 一种输电塔带电加固补强方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电塔带电加固补强方法，包括如下步骤：确定输电塔的结构薄弱部位，并对结构薄弱部位采用角钢贴附的方式进行局部加固补强；如果实施局部加固补强无法满足要求时，采用整体加固的方式，利用角钢对输电塔的四根主肢进行贴附加固，角钢规格从下到上逐渐减小。本发明通过建立线塔耦合模型，进行有限元结构强度测量，进而确定输电塔的结构薄弱部位，解决了对输电塔开展带电局部加固和整体加固，位置不明确的问题；在对输电塔进行整体加固时，角钢规格从下到上逐渐减小，解决了整体加固时不同高度只用同一种规格角钢，从而急剧增加输电塔刚度的问题。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种输电塔带电加固补强方法。
背景技术
高压输电塔是应用极广的一类高耸结构，作为重要的生命线电力工程设施，确保主结构体系在各种荷载作用下的安全可靠运行，具有重要的经济、社会意义。随着我国电力工业的发展，输电线路电压等级越来越高，档距越来越大，铁塔高度也随之增加。500kV芜湖长江大跨越，塔高229米，单塔重850吨；大胜关500kV长江大跨越，塔高257米，单基用砼4800立方米。500kV江阴长江大跨越工程的南北跨越塔创世界输电塔之最高346.5米，重4410吨，全长3703米，其中跨江距2303米，塔腿之间距离68米。目前在建国内最高输出电塔浙江舟山与内陆联网的跨海工程跨越塔高370米，单塔重5000多吨。
国家电网2004年提出采用1000kV交流特高压输电技术用15年的时间将分散在东北、华北、西北、华中、华东的电网联成一片，从而实现电力资源的优化，总投资4060亿元。2006年8月9日，国家发改委批准了国家电网公司的特高压交流输电技术试验示范工程，工程线路全长645公里，跨越华北、华中电网，从山西长治至湖北荆门，总投资近60亿元。1000kV交流特高压大跨越输电塔将比500kV更重、更高，其安全性的问题更应特别重视。作为高负荷电能输送载体的重要组成部分，高压输电塔的破坏不仅会导致供电系统的瘫痪，造成重大的经济损失，同时还可能会引发火灾等次生灾害，给人民群众的生命财产造成重大威胁。
2008年1月到2月冰雪灾害期间，仅南方某省电网共计发生500kV线路停运17条，倒塔116基、断线137处，变电站停运2座；220kV线路停运57条，倒塔97基、倒杆43基、断线507处，变电站停运35座；110kV线路停运168条，倒塔512基、断线867处，变电站停运112座次。全省共有45个县城和806个乡镇遭遇全停电事故。冰雪灾害给该省电网造成直接经济损失超过30亿元，重建费用约需85亿元。
随着我国经济建设的高速发展，输电塔已成为矿区就地消化煤炭资源减少煤炭运输压力远距离电力输送的主要渠道。输电铁塔在线路总投资中所占的比重很大，约为40％左右。铁塔一旦遭受破坏，将直接影响到整个电力系统的正常运行,不仅造成巨大的经济损失，甚至引起整个供电系统的瘫痪。
倒塔断线事故不但会造成输电线路较长时间停运，用户供电停止甚至破坏电网稳定，而且能导致系统瓦解，造成大面积停电。在地震、台风、龙卷风、裹冰等静力、动力或动静联合作用下结构的失稳或超过材料的屈服极限，会引起输电塔结构的破坏。如不改动较低的设计抗灾标准，这种突发事故往往是难以避免的。我国高压输电塔抗风设防标准偏低，为节省用钢量，仅对大跨越输电塔抗风设计采用50年一遇的重现期，对于普通的高压输电塔采用的是30年的重现期。而国际上其它国家的设计规范中对于设计风速的重现周期最小都是50年，有些规范还分不同的设计水准考虑100年、200年甚至500年的重现周期。以日本为例，其高压输电塔抗风设计标准是以15m高度10m/s平均风速不小于40m/s设计，而我国对于500kV输电塔则是以20m高度处10m/s平均风速不小于30m/s设计的。设计标准较低是风灾影响严重的一个主要原因。
随着近年来，极端气象灾害发生频率增加，对于抗灾设计标准较低的输电塔安全产生了极大威胁。近年来同一型号的输电塔发生连续倒塌的事实，表明了针对输电塔进行受力分析和强度校核的紧迫性，根据实际情况对输电塔进行提前处理，做好预防工作。
发明内容
本发明的目的是针对现有部分输电塔结构安全裕度低、抗灾能力差，但应用数量较多，无法大面积换塔及需要停电改造的现状，提供一种输电塔带电加固补强方法。该方法通过利用大规格角钢贴附、不同规格角钢分段带电加固的方法实现输电塔结构的补强，提高输电塔的承载能力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种输电塔带电加固补强方法，包括如下步骤：确定输电塔的结构薄弱部位，并对结构薄弱部位采用角钢贴附的方式进行局部加固补强；如果实施局部加固补强无法满足要求时，采用整体加固的方式，利用角钢对输电塔的四根主肢进行贴附加固，角钢规格从下到上逐渐减小。
由于输电塔作为高耸结构，不能较大程度上影响其结构的柔性，因此采用加固贴附角钢从下往上逐渐减小的方法。
优选的，当输电塔进行整体加固时，加固的最高处与输电塔横担之间的距离不小于输电电压的安全距离。
优选的，所述输电塔的结构薄弱部位的确定方法，包括如下步骤：
1)在计算机中建立输电塔线塔耦合模型，进行结构计算；
2)对耦合计算模型进行有限元结构强度计算，确定结构薄弱部位；
确定耦合计算模型的边界条件(边界条件是指有限元模型与环境或其他结构接触的状态或约束条件)，根据输电塔运行现场的实际气象条件，对有限元模型进行加载，对有限元进行分析计算，确定结构的受力情况，与输电塔设计条件下的有限元强度计算结果进行对比，分析现场运行输电塔的承载和抗灾害能力，找出输电塔的结构薄弱部位。
进一步优选的，步骤1)中，根据输电塔、导地线、绝缘串和光缆的结构图纸和特性表，在有限元分析软件中，建立导地线、绝缘串、光缆与输电塔耦合形成的线塔耦合模型。
进一步优选的，步骤2)中，输电塔运行现场的实际气象条件包括风速、风向、温度以及覆冰厚度。
进一步优选的，步骤2)中，有限元分析计算中，计算结果提取的参数包括节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性以及轴向力。
节点位移：输电塔模型中节点的位置变化；长细比：是指输电塔杆件的计算长度与杆件截面的回转半径之比；拉弯应力：承受轴心拉力和弯矩共同作用下的拉弯构件所受到的应力。
压杆稳定性的概念：
(一)平衡形式的特征
稳定平衡：杆在轴向压力作用下，当外加干扰撤除后若仍能恢复原有直线形状的平衡，则杆件原来直线形状的平衡是稳定平衡。
不稳定平衡：杆在轴压力作用下，当外加干扰撤除后若不能恢复原有直线形状的平衡，仍保持微弯状态的平衡，则杆件原来的直线形状的平衡是不稳定平衡。
(二)压杆的失稳与临界力
失稳：压杆丧失其原有的直线形状的平衡而过渡为微弯状态的平衡的现象。
临界力：压杆保持直线形状的平衡为稳定平衡时，轴压力的最大值，也即压杆在微弯状态下保持平衡的最小压力。
轴向力的作用引起结构或构件某一正截面上的反向拉力或压力，当反向拉力位于截面形心时，称轴心力。
进一步优选的，当对输电塔进行局部加固补强后，再对加固结构进行有限元强度校核，确定加固效果。当计算结果显示输电塔抗超载能力弱时，应进行加固补强。首先考虑进行局部加固，在薄弱位置附近，通过补强主肢、增加腹材强度、增设横隔面等方式进行局部加固。若由于输电塔材料本身及其他设计因素，造成局部加固无法满足要求时，应进行整体加固，采用大规格角钢对输电塔四根主肢进行加固。
进一步优选的，当需要对输电塔进行整体加固时，通过有限元计算，获取有限元模型中等效角钢的规格，通过已知的输电塔主肢的角钢惯性矩和有限元模型中等效角钢的惯性矩，计算得出加固贴附所用角钢的惯性矩，从而获得加固贴附所用角钢的规格。
上述输电线带电加固补强方法在输电线加固补强中的应用。
对输电塔进行整体加固时，通过有限元强度计算，确定满足加固效果的方案。在实际中，对输电塔四根主肢采用角钢进行贴附加固时，输电塔主肢变成为两层角钢，而在有限元模型里面是等效为一个某种规格的角钢，因此，通过计算，获取有限元模型中等效角钢的规格(即可以满足输电塔强度要求的等效角钢的规格)，然后进行订货下料加工，利用焊接或螺栓紧固方法对输电塔进行加固补强。
更进一步优选的，运用平面图形形心坐标公式(yc＝Sz/A,zc＝Sy/A)、矩形截面惯性矩公式(Ix＝bh3/12,Iy＝bb3/12)和惯性矩平行移轴公式(Iz1＝Iz+a2A,Iy1＝Iy+b2A)，计算得到已知的输电塔主肢的角钢惯性矩和有限元模型中等效角钢的惯性矩。
本发明的有益技术效果为：
1、本发明通过建立线塔耦合模型，进行有限元结构强度测量，进而确定输电塔的结构薄弱部位，解决了对输电塔开展带电局部加固和整体加固时，加固位置不明确的问题；
2、本发明在在对输电塔进行整体加固时，角钢规格从下到上逐渐减小，解决了整体加固时不同高度只用同一种规格角钢，从而急剧增加输电塔刚度的问题；
3、本发明考虑到了带电加固实施的安全因素，确定了加固的最高点应该满足的要求，解决了整体加固最高位置不明确的问题；
4、本发明解决了无法根据有限元模型中等效角钢的规格，确定选用的加固贴附的角钢规格的问题。
5、本发明具有准确性高、简洁方便的特点，能有效的提高输电塔加固补强的效果，既能体现输电塔线塔耦合体系的计算力学理论，也使有限元模拟计算与实际更好结合，实现了主动、快速、准确的输电塔加固补强工作。
附图说明
图1为本发明的输电塔带电加固补强方法流程图；
图2为建立的输电塔有限元线塔耦合模型；
图3为整塔结构Mises等效应力最大位置图；
图4为塔身上半部结构Mises等效应力最大位置图；
图5是输电塔加固后整体结构Mises等效应力图；
图6为采用内贴附加固角钢方法的组合角钢截面图。
其中，1、加固贴附角钢，2、原塔主肢角钢。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种输电塔带电加固补强方法，它包括以下步骤：
第一步，在计算机中建立输电塔塔线一体耦合计算模型，进行结构计算；
根据输电塔、导地线、绝缘串和光缆等结构图纸和特性表，在如ANSYS等计算机有限元分析软件中，建立导地线、绝缘串、光缆与输电塔耦合形成的线塔耦合模型；
第二步，进行有限元结构强度计算，确定结构薄弱位置；
确定模型边界条件，根据输电塔运行现场的实际气象条件如风速、风向、温度，覆冰厚度参数，对有限元模型进行风载荷、冰载荷等荷载的加载，然后进行有限元分析计算，对强度计算结果提取节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性、轴向力等参数，确定结构受力情况；与输电塔设计条件下的有限元强度计算结果进行对比，分析现场运行输电塔的承载和抗灾害能力，找出输电塔的结构薄弱位置。
第三步，针对结构薄弱部位，对输电塔进行加固补强；
当计算结果显示输电塔抗超载能力弱时，应进行加固补强。首先考虑进行局部加固，在薄弱位置附近，通过补强主肢、增加腹材强度、增设横隔面等方式进行局部加固，再对加固结构进行有限元强度校核，确定加固效果。若由于输电塔材料本身及其他设计因素，造成局部加固无法满足要求时，应进行整体加固，采用大规格角钢对输电塔四根主肢进行加固，考虑带电加固实施的安全因素，加固最高处与输电塔横担的距离应不小于相应电压等级的安全距离。
第四步，对输电塔进行整体加固时，通过有限元强度计算，确定满足加固效果的方案。在实际中，对输电塔四根主肢采用角钢进行贴附加固时，输电塔主肢变成为两层角钢，而在有限元模型里面是等效为一个某种规格的角钢，因此，通过计算，获取有限元模型中等效角钢的规格。并且由于输电塔作为高耸结构，不能较大程度影响其结构的柔性，因此采用角钢规格从下到上逐渐减小的方法。
第五步，采用内贴附加固角钢方法，通过已知的原塔主肢角钢惯性矩和有限元模型中等效角钢的惯性矩，经计算得出加固贴附所用角钢的惯性矩，从而查表得出加固贴附所用角钢的规格。在此过程中，以原塔主肢角钢和加固贴附所有角钢的组合结构为依据，运用平面图形形心坐标公式(yc＝Sz/A,zc＝Sy/A)、矩形截面惯性矩公式(Ix＝bh3/12,Iy＝bb3/12)和惯性矩平行移轴公式(Iz1＝Iz+a2A,Iy1＝Iy+b2A)，获得该组合结构的截面惯性矩，与有限元模型中等效角钢的惯性矩进行对比，数值最为相近者即可求得加固贴附所用角钢的规格。
第六步，根据计算出的加固贴附所用角钢的规格，进行订货下料加工，利用焊接或螺栓紧固方法对输电塔进行加固补强。
实施例1：110kVZGU2(7727)直线塔带电加固补强方法
1.根据输电塔、导地线、绝缘串和光缆等结构图纸和特性表，在如ANSYS等计算机有限元分析软件中，建立导地线、绝缘串、光缆与输电塔耦合形成的线塔耦合模型，如图2所示，输电塔呼高为21m。
2.进行有限元结构强度计算，确定结构薄弱位置。边界条件和相应载荷施加，该计算过程中施加30m/s风速下的风压，大风风向与线路方向呈90°，计算后对结构Mises等效应力进行评定，如图3所示，为输电塔Mises等效应力云图，图3中输电塔结构中蓝色部位表示杆件应力较小，其中输电塔杆件的最小值为19090Pa，位于塔头右侧最顶端悬挂地线的位置(图中标记的“MN”位置)，结构中红色部位表示杆件应力较大，其中输电塔杆件最大值为308MPa，位于输电塔支腿根部(图3中标记的“MX”位置)。由于该塔9m高度以下四根主肢所用材料为Q345，其材料强度设计值310MPa，计算等效应力小于该数值，在安全范围以内。但是该塔9m高度以上四根主肢及塔身所有腹材所用材料为Q235，其材料强度设计值215MPa，因此提取输电塔9m以上结构的Mises等效应力图，如图4所示，表示杆件应力值较大的红色区域位于该局部结构的下部，即“MX”位置，表明此处是该局部结构的应力最大值位置，即Q235钢材等效应力最大处位于身部9m处主肢杆材上，为219MPa，超过了材料强度设计值215MPa，为结构强度薄弱部位，不满足强度要求。
3.针对结构薄弱部位，对输电塔进行加固补强。对输电塔薄弱部位采用强度级别较高的角钢进行局部加固，加固后对结构进行有限元分析计算，发现局部加固后，在大风载荷下输电塔Mises等效应力随之转移分布，在Q235主肢上的应力值仍大于材料强度设计值，不能满足强度要求。因此进行整体加固，在有限元模型中增大主肢角钢规格和强度等级，从下到上角钢规格按不同身部逐渐减小，最底部主肢角钢规格为L100×12，加固最高位置与横担之间的距离要满足安全等级要求，此输电塔加固到16.2m，整体加固方案经有限元计算后，塔身杆件强度满足使用要求，如图5所示，表示杆件应力值较大的红色区域位于输电塔结构的中部，即“MX”位置，靠近最高加固位置的上部，为173MPa，低于该部位Q235材料强度设计值215MPa，满足强度要求。并且应力云图显示输电塔塔身下部区域杆件应力较小，其应力值远小于塔身所用Q345和Q235材料的强度设计值，表明在同样的荷载条件下，加固后的输电塔承载能力得到提高。
4.加固时采用内贴附角钢加固方法，如图6所示，采用加固贴附角钢1贴附加固的方式对原塔主肢角钢2进行加固补强。原塔最底部角钢规格为L80×7，当采用L100×6、L100×7、L100×8等规格角钢进行加固时，利用形心公式、惯性矩公式和惯性矩平行移轴公式，计算组合截面的惯性矩，其数值最接近有限元模型中等效角钢L100×12惯性矩大小的组合截面，即可选为加固补强所用结构。塔身上部其他规格角钢的加固也采用此种方法，来确定加固所采用的角钢规格。
5.确定输电塔带电加固位置和不同部位加固所用角钢规格后，进行订货下料加工，利用焊接或螺栓紧固方法对输电塔进行加固补强。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种输电塔带电加固补强方法，其特征在于：包括如下步骤：确定输电塔的结构薄弱部位，并对结构薄弱部位采用角钢贴附的方式进行局部加固补强；如果实施局部加固补强无法满足要求时，采用整体加固的方式，利用角钢对输电塔的四根主肢进行贴附加固，角钢规格从下到上逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：当输电塔进行整体加固时，加固的最高处与输电塔横担之间的距离不小于输电电压的安全距离。
3.根据权利要求1所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：所述输电塔的结构薄弱部位的确定方法，包括如下步骤：
1)在计算机中建立输电塔线塔耦合模型，进行结构计算；
2)对耦合计算模型进行有限元结构强度计算，确定结构薄弱部位；
确定耦合计算模型的边界条件，根据输电塔运行现场的实际气象条件，对有限元模型进行加载，对有限元进行分析计算，确定结构的受力情况，与输电塔设计条件下的有限元强度的计算结果进行对比，分析现场运行输电塔的承载和抗灾害能力，找出输电塔的结构薄弱部位。
4.根据权利要求3所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：步骤1)中，根据输电塔、导地线、绝缘串和光缆的结构图纸和特性表，在有限元分析软件中，建立导地线、绝缘串、光缆与输电塔耦合形成的线塔耦合模型。
5.根据权利要求3所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：步骤2)中，输电塔运行现场的实际气象条件包括风速、风向、温度以及覆冰厚度。
6.根据权利要求3所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：步骤2)中，有限元分析计算中，计算结果提取的参数包括节点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性以及轴向力。
7.根据权利要求3所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：当对输电塔进行局部加固补强后，再对加固结构进行有限元强度校核，确定加固效果。
8.根据权利要求3所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：当需要对输电塔进行整体加固时，通过有限元计算，获取有限元模型中等效角钢的规格，通过已知的输电塔主肢的角钢惯性矩和有限元模型中等效角钢的惯性矩，计算得出加固贴附所用角钢的惯性矩，从而获得加固贴附所用角钢的规格。
9.根据权利要求8所述的输电塔带电加固补强方法，其特征在于：运用平面图形形心坐标公式、矩形截面惯性矩公式和惯性矩平行移轴公式，计算得到已知的输电塔主肢的角钢惯性矩和有限元模型中等效角钢的惯性矩。
10.权利要求1-9任一所述的输电塔带电加固补强方法在输电塔加固补强中的应用。
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Address after: 250002 Wang Yue Road, Ji'nan City, Shandong Province, No. 2000 Applicant after: Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company Applicant after: SHANDONG ELECTRIC POWER INDUSTRIAL BOILER PRESSURE VESSEL INSPECTION CENTER CO., LTD. Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 250002 Wang Yue Road, Ji'nan City, Shandong Province, No. 2000 Applicant before: Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company Applicant before: SHANDONG ELECTRIC POWER INDUSTRIAL BOILER PRESSURE VESSEL INSPECTION CENTER CO., LTD. Applicant before: State Grid Corporation of China |
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Inventor after: Guan Mingjian Inventor after: Yuan Tangqing Inventor after: Ding Jianwei Inventor after: Zhang Huakai Inventor after: Zhang Guangcheng Inventor after: Li Qiying Inventor after: Zhang Duqing Inventor after: Yang Bo Inventor after: Sun Xiaobin Inventor after: Deng Hualing Inventor after: Zhang Zhongwen Inventor after: Huang Zhenning Inventor before: Guan Mingjian Inventor before: Zhang Guangcheng Inventor before: Zhang Duqing Inventor before: Yang Bo Inventor before: Zhang Zhongwen Inventor before: Yuan Tangqing Inventor before: Ding Jianwei |
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