導(dǎo)讀
作者：嚴(yán) 波１，劉力宇１，畢承財(cái)１，吳天寶２，劉 凡２，曹永興２ （１．重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院，重慶 ４０００４４；２．四川電力科學(xué)研究院，成都 ６１００７１）
來源：《重 慶 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)》2016年10月
摘要：針對(duì)實(shí)際線路段，利用 ＡＢＡＱＵＳ軟件建立塔線耦合體系有限元模型，數(shù)值模擬該塔線 體系在典型荷載作用下的應(yīng)力和變形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)倒塔情況，建立桿塔破壞局部區(qū)域三維實(shí)體模型， 并與其它部分桿梁模型連接得到桿塔整體有限元模型。三維局部區(qū)域模型考慮了螺栓和連接板之 間的連接細(xì)節(jié)、螺栓預(yù)緊力、螺桿和螺孔之間的間隙等。進(jìn)而數(shù)值模擬研究螺栓預(yù)緊力大小對(duì)螺栓 的滑移和桿塔構(gòu)件應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，過小的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生明顯滑移，增大螺栓和桿 塔構(gòu)件的應(yīng)力，因而螺栓預(yù)緊力不足可能是導(dǎo)致桿塔破壞的主要原因之一。
近年來，輸電線路由于覆冰、脫冰和斷線等引起的倒塔事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響輸電線路的安全運(yùn)行。輸電桿塔破壞原因的分析是改進(jìn)桿塔設(shè)計(jì)，確保其運(yùn)行安全的關(guān)鍵。
在研究輸電線路脫冰跳躍高度時(shí)，一般忽略桿塔的變形［１－２］。近年來，不同載荷下輸電線路桿塔的安全 分析已受到廣泛關(guān)注。陸佳政等［３］利用塔線體系空間梁有限元模型，研究了導(dǎo)線上不同厚度覆冰時(shí)作用于 桿塔上的非平衡力，但未對(duì)桿塔的應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行分析。楊風(fēng)利等［４］利用塔線體系有限元模型，模擬研究了 各種脫冰工況下貓頭直線桿塔的桿件內(nèi)力變化規(guī)律。李雪等［５］模擬研究了輸電桿塔在覆冰載荷作用下的非 線性屈曲，并分析了覆冰不均勻系數(shù)下桿塔的極限承載能力。劉春城等［６］利用模型實(shí)驗(yàn)研究了特高壓大跨 越塔線體系在覆冰斷線作用下的響應(yīng)。胡位勇等［７］利用塔線體系有限元模型，模擬了斷線過程中桿塔的破 壞。這些研究工作中，均將桿塔簡(jiǎn)化為空間梁模型或桿梁混合模型，沒有考慮桿塔中螺栓連接的影響。
另一方面，Ａｌ－Ｂｅｒｍａｎｉ和 Ｋｉｔｉｐｏｒｎｃｈａｉ［８］推導(dǎo)了非對(duì)稱薄壁梁－柱單元的變形剛度矩陣，考慮了軸向、橫 向和扭轉(zhuǎn)變形的耦合，可用以研究輸電桿塔的非線性大變形行為。Ｋｉｔｉｐｏｒｎｃｈａｉ等［９］提出了２種模擬螺栓滑 移的模型，研究了螺栓的滑移對(duì)結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響。最近，江文強(qiáng)［１０］、齊立忠等［１１］以及高康等［１２］研究了 螺栓滑移對(duì)桿塔變形和承載能力的影響，這些工作都是以空間桿梁模型為基礎(chǔ)，在桿件的連接處通過引入連 接單元來模擬螺栓的滑移，沒有考慮桿塔螺栓連接的細(xì)節(jié)。ＰｒａｓａｄＲａｏ 等［１３］利用實(shí)驗(yàn)研究了塔腿、支撐桿 和冗余桿件破壞、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和連接結(jié)構(gòu)破壞、材料缺陷和制造誤差等的影響。建立了梁柱單元和板單元離散 有限元模型，并利用梁?jiǎn)卧獊砟M螺栓，對(duì)桿塔進(jìn)行了大變形彈塑性分析及失效分析。Ｘｉｅ等［１４］利用試驗(yàn)方 法對(duì)５００ｋＶ 輸電桿塔２個(gè)子結(jié)構(gòu)在模擬冰荷載作用下的破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。汪楚清等［１５］通過引入約束 方程，建立了包含塔腿局部模型的特高壓鋼管塔多尺度有限元模型，并重點(diǎn)分析了桿塔在９０°大風(fēng)工況下塔 腿區(qū)域的應(yīng)力和變形。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考查發(fā)現(xiàn)，桿塔破壞大多發(fā)生在螺栓連接區(qū)域，螺栓預(yù)緊力的大小可能是影響桿塔強(qiáng)度的重要 因素。最近，吳天寶等［１６］通過建立桿塔危險(xiǎn)區(qū)域局部三維實(shí)體有限元模型，將由塔線體系模型計(jì)算得到的 危險(xiǎn)區(qū)域邊界的力施加于三維局部模型上，模擬研究了導(dǎo)線脫冰過程中連接螺栓預(yù)緊力不同的情況下危險(xiǎn) 區(qū)域的應(yīng)力和變形，這種簡(jiǎn)化方式不能準(zhǔn)確反映桿塔其它構(gòu)件對(duì)局部區(qū)域的影響，同時(shí)沒有考慮螺栓和螺孔 之間的間隙，因而不能反映滑移的影響。
文中以四川５００ｋＶ 月普雙回線路６１＃～６６＃線路段６５＃桿塔破壞事故為背景，建立該桿塔三維實(shí)體 和桿梁混合有限元模型，考慮螺栓和螺孔連接之間的間隙和螺栓預(yù)緊力等細(xì)節(jié)，利用桿塔整體模型研究在不 同載荷工況下，螺栓預(yù)緊力大小對(duì)桿塔安全性的影響。
１ 線路段及其有限元模型
１．１ 實(shí)際線路及桿塔破壞情況
５００ｋＶ 月普雙回線起于西昌５００ｋＶ 月城站，止于昭覺５００ｋＶ 普提站。２０１１年１２月９日，受低溫冰凍 天氣影響，月城—普提５００ｋＶ 雙回線路發(fā)生倒塔斷線事故。事故區(qū)段為５００ｋＶ 月普一、二線６１?！叮叮?。該區(qū)段為同塔雙回架設(shè)，其中６１＃、６５＃和６６＃為耐張桿塔，塔型為 ＳＪ６１３，呼稱高度分別為２９、３５、３０ｍ。６２?！叮矗橹本€桿塔，塔型為 ＳＺ６４３，呼稱 高 度 為４０．５、３６、４７ ｍ。其中６１?！叮担Ｄ蛷?段 長(zhǎng)１１２２ ｍ， ６５?！叮叮Ｄ蛷埗伍L(zhǎng)７３２ｍ。該事故區(qū)段的６５＃塔發(fā)生了倒塌事故，破壞現(xiàn)場(chǎng)如圖１所示，從圖中可見，該 塔在離地約９ｍ 的塔身瓶口下端螺栓連接區(qū)域主材發(fā)生了折斷。
１．２ 塔線體系有限元模型
首先，根據(jù)實(shí)際線路段的受損情況，以事故區(qū)段的５００ｋＶ 月普雙回線路６１＃～６６＃線路段為研究對(duì)象， 在 ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ中建立六塔七檔的塔線耦合體系有限元模型。這些桿塔均由角鋼組成，包含 Ｑ２３５、Ｑ３４５ 和 Ｑ４２０３種 不 同 類 型 的 材 料，四分裂導(dǎo)線的型號(hào)為 ４×ＬＧＪ－６３０／４５，地 線 型 號(hào) 為 ＧＪ８０，光 纜 型 號(hào) 為 ＯＰＧＷ１００。導(dǎo)線、地線、光纜及角鋼的物理力學(xué)性能如表１所示。
塔線耦合體系有限元模型中，桿塔簡(jiǎn)化為空間桿梁有限元模型；絕緣子串采用空間梁?jiǎn)卧M；間隔棒 簡(jiǎn)化為框架，用空間梁?jiǎn)卧Ｐ?；覆冰?dǎo)線、地線和光纜均采用索單元模擬，在 ＡＢＡＱＵＳ中可通過將桿單元 的材料性質(zhì)設(shè)置為不可壓縮來模擬索單元。采用嚴(yán)波等［１７］提出的一種無需迭代的方法確定導(dǎo)線、地線和光 纜在自重作用下的初始構(gòu)形。
各桿塔塔腿根部施加固定約束，線路段兩端的導(dǎo)線施加固定約束。導(dǎo)線與絕緣子串之間，導(dǎo)線與間隔棒 之間定義 Ｂｅａｍ 連接關(guān)系；絕緣子串與輸電線塔之間定義 Ｕ－ｊｏｉｎｔ連接關(guān)系。整個(gè)模型共劃分１４０４４５個(gè)單元，建立的塔線體系有限元模型如圖２所示。
１．３ 桿塔實(shí)體和桿梁混合模型
根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，６５＃耐張塔發(fā)生了倒塌事故，如圖１所示。要研究螺栓預(yù)緊力和螺栓滑移對(duì)桿塔強(qiáng) 度的影響，理想的情況是建立整體的三維實(shí)體有限元模型進(jìn)行計(jì)算，但受計(jì)算機(jī)硬 件 的 限 制，尚 存 在 困 難。為此，根據(jù)桿塔的實(shí)際破壞情況，對(duì)破壞區(qū)域建立三維實(shí)體模型，考慮所有連接板及螺栓連接的細(xì)節(jié)，其它區(qū)域則采用空間桿梁模型。三維實(shí)體模型和其它區(qū)域之間通過定義耦合關(guān)系連接在一起。
桿塔破壞區(qū)域的桿件、連接板和螺栓等均采用三維六面體實(shí)體單元來進(jìn)行離散。桿件與連接板及螺栓 之間均采用接觸定義。作用于桿塔上的載荷根據(jù)載荷工況，由塔線體系耦合模型計(jì)算分析得到，然后將這些 載荷施加到絕緣子串與桿塔的連接點(diǎn)處。桿塔塔腿根部施加固定約束。最終建立的桿塔實(shí)體和桿梁混合有 限元模型如圖３所示，整個(gè)模型共劃分６３８４０６個(gè)單元。
輸電桿塔中螺栓預(yù)緊力的大小與螺栓規(guī)格和強(qiáng)度等級(jí)有 關(guān)。在模擬分析的桿塔局部區(qū)域中，連接螺栓有 Ｍ２０和 Ｍ２４ ２種規(guī) 格，其 中 全 部 Ｍ２０和部 分 Ｍ２４螺栓 的 強(qiáng) 度 等 級(jí) 為６．８ 級(jí)，部分 Ｍ２４螺栓 為８．８級(jí)。根據(jù)送電線路施工規(guī)范［１８］，６．８ 級(jí)螺栓施加２５ｋＮ 的預(yù)緊力，８．８級(jí)螺栓施加５２ｋＮ 的預(yù)緊力。根據(jù)鋼 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范［１９］，螺 栓孔徑一般都要比螺栓直徑大 １．５～３．０ｍｍ，在此取２ｍｍ；螺栓與連接件之間的摩擦系數(shù)取 ０．４０。螺栓與其連接件之間定義接觸關(guān)系，如 圖 ４ 所 示。在 ＡＢＡＱＵＳ有限元軟件中螺栓預(yù)緊力的施加和接觸定義方法等 詳見文獻(xiàn)［２０］。
２ 典型工況下桿塔的應(yīng)力和變形
２．１ 塔線體系有限元分析
為了分析螺栓預(yù)緊力對(duì)桿塔安全性的影響，首先利用１．２節(jié)中建立的塔線體系有限元模型，計(jì)算脫冰和 斷線２種工況下塔線體系的應(yīng)力和變形，在此基礎(chǔ)上再利用１．３節(jié)建立的６５＃塔的實(shí)體和桿梁混合有限元 模型進(jìn)一步分析其應(yīng)力和變形。脫冰工況假設(shè)整檔線路均勻覆冰２０ｍｍ，第 ＶＩ檔Ｉ回中相導(dǎo)線發(fā)生１００％ 脫冰；斷線工況假設(shè)整檔線路均勻覆冰２０ｍｍ，第 Ｖ 檔Ｉ回中相導(dǎo)線與６５＃塔橫擔(dān)連接處發(fā)生斷線。
利用 ＡＢＡＱＵＳ有限元軟件計(jì)算得到該２種工況下塔線體系的應(yīng)力和變形，進(jìn)一步可以得到６５＃桿塔 上各掛點(diǎn)處的載荷，用于該桿塔實(shí)體和桿梁混合有限元模型的計(jì)算分析。
２．２ 桿塔應(yīng)力和變形
為了研究螺栓連接細(xì)節(jié)等對(duì)桿塔的影響，利用１．３節(jié)建立的桿塔實(shí)體和桿梁混合有限元模型計(jì)算分析前 述２種工況下的應(yīng)力和變形。
現(xiàn)對(duì)６５＃塔在脫冰工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖５所示為桿塔整體結(jié)構(gòu)和典型構(gòu)件局部的 Ｍｉｓｅｓ應(yīng) 力分布?？梢?，在此工況下，６５＃塔受到彎扭組合作用，整體結(jié)構(gòu)向第 ＶＩ檔方向發(fā)生彎曲，同時(shí)發(fā)生了扭轉(zhuǎn) 變形。最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓上，其最大值為２８１．３ＭＰａ，如圖５（ｂ）所示。分析表明，在脫冰前，由于施加了螺 栓預(yù)緊力，該螺栓的最大應(yīng)力為２１８．１ ＭＰａ，可見斷線前后該螺栓的應(yīng)力變化較大。此外，連接板和桿件的 最大應(yīng)力均出現(xiàn)在螺孔邊緣，分別為１６０．２ＭＰａ和１５５．３ＭＰａ。結(jié)合表１可知，考慮螺栓預(yù)緊力和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié) 后分析得到的６５＃塔中的螺栓、桿件和連接板的應(yīng)力均未超過其強(qiáng)度值，桿塔滿足安全性要求。
此外，圖６給出了該工況下最大應(yīng)力螺栓的滑移，可見此時(shí)螺栓的滑移并不明顯，其大小為０．１６ｍｍ，螺 桿未與螺孔內(nèi)壁發(fā)生接觸。為了清晰起見，圖中去掉了連接板，可以看見螺桿與螺孔內(nèi)壁之間的間隙。
表２給出了脫冰和斷線工 況 下，利用塔線體系模型與實(shí)體和桿梁混合模型得到的６５＃塔桿 件 的 最 大Ｍｉｓｅｓ應(yīng)力比較?？梢?，由塔線體系模型計(jì)算得到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于實(shí)體和桿梁混合模型得到的結(jié)果。在對(duì)倒塔 事故進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，假如不考慮螺栓連接等細(xì)節(jié)，利用桿梁模型計(jì)算分析時(shí)，桿塔能滿足強(qiáng)度要求；但在考 慮螺栓連接細(xì)節(jié)后其相關(guān)連接構(gòu)件的應(yīng)力可能超過其強(qiáng)度極限，因而考慮螺栓連接的細(xì)節(jié)是必要的。
此外，由于螺栓施加了足夠大的預(yù)緊力，這些工況下螺栓的最大滑移量?jī)H為０．１６ｍｍ，因而除了三維實(shí) 體模型區(qū)域及其相鄰區(qū)域外，２種模型計(jì)算得到的其他位置的桿梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幾乎一致。
３ 螺栓預(yù)緊力的影響
實(shí)際桿塔中，螺栓的預(yù)緊力可能小于施工規(guī)范要求值。一方面，在桿塔建設(shè)施工過程中，由于人工操作 不當(dāng)可能導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力不足；另一方面，在桿塔的運(yùn)行過程中，由于螺栓松弛，其預(yù)緊力也可能會(huì)隨時(shí)間的 增長(zhǎng)而減小。螺栓預(yù)緊力的減小會(huì)直接影響到螺栓在桿塔受載過程中的滑移量，如果滑移過大，螺栓的螺桿 將會(huì)與桿件或連接板直接發(fā)生接觸，螺栓、桿件和連接板的應(yīng)力可能都會(huì)增大。因此，研究螺栓預(yù)緊力對(duì)螺 栓滑移和桿塔構(gòu)件應(yīng)力的影響對(duì)分析桿塔破壞的原因具有重要意義。
３．１ 螺栓滑移分析
圖７給出了２種工況下螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓滑移量的影響。圖中滑移距離是桿塔結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)最大 Ｍｉｓｅｓ 應(yīng)力螺栓的滑移量，螺栓預(yù)緊力表示施工要求值的百分比。從圖中可以看出，在脫冰工況下，當(dāng)螺栓預(yù)緊力 減小到施工要求值的４５％時(shí)，螺栓滑移量達(dá)到１ｍｍ，由于初始狀態(tài)時(shí)螺桿與螺孔內(nèi)壁間隙為１ｍｍ，此時(shí)螺 桿與螺孔內(nèi)壁發(fā)生了接觸。值得一提的是，當(dāng)螺栓預(yù)緊力從施工要求值減小到５０％時(shí)，螺栓的滑移量有所減 小，這可能是由于局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)和變形復(fù)雜，導(dǎo)致其滑移方向隨螺栓預(yù)緊力變化而改變所致。而在斷線工況下，當(dāng)螺栓預(yù)緊力減小到 施 工 要 求 值 的８０％時(shí)，螺栓 滑 移 量 即 達(dá) 到１ ｍｍ，此時(shí)螺桿與螺孔內(nèi)壁發(fā)生了 接觸。
圖８所示為脫冰工況下，螺栓預(yù)緊力為施工要求值的４５％時(shí)最大應(yīng)力螺栓的滑移和變形，可見螺桿與螺 孔內(nèi)壁接觸，螺桿受剪切作用，出現(xiàn)了應(yīng)力集中。
３．２ 局部應(yīng)力分析
圖９給出了２種工況下螺栓預(yù)緊力對(duì)桿塔不同構(gòu)件最大 Ｍｉｓｅｓ應(yīng)力的影響。從圖中可以看出，在脫冰 工況下，當(dāng)螺栓預(yù)緊力減小到施工要求值的４５％時(shí)，由于螺桿與螺孔內(nèi)壁發(fā)生了接觸，螺栓、Ｑ３４５桿件 和 Ｑ３４５連接板的應(yīng)力水平明顯增大，且超過了材料的許用應(yīng)力。由此可知，螺栓預(yù)緊力的減小導(dǎo)致的滑移是 產(chǎn)生高應(yīng)力水平的原因。類似地，在斷線工況下，當(dāng)螺栓預(yù)緊力減小到施工要求值的８０％時(shí)，螺桿與螺孔內(nèi) 壁發(fā)生了接觸，螺栓和 Ｑ３４５桿件的應(yīng)力明顯增大。
總體上講，隨著螺栓預(yù)緊力的減小，桿塔各類構(gòu)件的最大 Ｍｉｓｅｓ應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)螺栓預(yù)緊力減小 到一定程度時(shí)，一些構(gòu)件的應(yīng)力水平會(huì)突然增大，從而導(dǎo)致桿塔的破壞。
值得一提的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，要準(zhǔn)確獲得構(gòu)件的應(yīng)力，需進(jìn)一步采用彈塑性分 析。此外，對(duì)于實(shí)際輸電線路，當(dāng)載荷過大時(shí)，桿塔的破壞以局部壓桿失穩(wěn)為主，文中關(guān)注的是連接區(qū)域螺栓 預(yù)緊力大小對(duì)桿塔破壞的影響，旨在分析桿塔破壞的另一種可能性。
4 結(jié) 論
利用有限元數(shù)值模擬方法，建立輸電塔線體系有限元模型與桿塔實(shí)體和桿梁混合有限元模型，針對(duì)典型 工況，模擬研究了螺栓預(yù)緊力對(duì)桿塔應(yīng)力和變形的影響，得到如下結(jié)論：１）利用考慮螺栓連接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的實(shí) 體和桿梁混合模型計(jì)算得到的桿塔構(gòu)件的應(yīng)力，明顯大于桿梁模型的計(jì)算結(jié)果。２）當(dāng)螺栓預(yù)緊力減小到一 定程度時(shí)，螺栓會(huì)發(fā)生明顯的滑移，螺桿與螺孔內(nèi)壁相互接觸，相關(guān)構(gòu)件的應(yīng)力水平明顯增大，這可能是導(dǎo)致 桿塔破壞的主要原因之一。３）為了確保桿塔的安全，一方面在桿塔建設(shè)施工程中需要確保施加足夠的螺栓 預(yù)緊力；另一方面，應(yīng)采取有效措施防止桿塔在運(yùn)行過程中發(fā)生螺栓松動(dòng)。４）現(xiàn)行桿塔設(shè)計(jì)方法可能存在不 足，建議進(jìn)一步研究在桿塔設(shè)計(jì)中如何考慮螺栓連接細(xì)節(jié)對(duì)桿塔強(qiáng)度的影響。
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共同探討螺栓預(yù)緊力測(cè)量的相關(guān)技術(shù)和市場(chǎng)信息，共同推進(jìn)此產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)共贏。北京艾法斯特公司（www.ifast-sensor.com）專業(yè)從事超聲、視覺螺栓預(yù)緊力測(cè)量技術(shù)，產(chǎn)品主要有螺栓預(yù)緊力測(cè)量?jī)x系列產(chǎn)品、螺栓預(yù)緊力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、智能緊固件、以螺栓軸力控制的智能緊固工具。
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