转角塔基础预偏研究

第３５卷第２期　２０１３年４月　黑龙江电力　Ｖ０１．３５　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１３　ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　转角塔基础预偏研究　甘凤林　，赵　甲　，胡坤琪　，成印建　，陈　波　（１．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林１３２０１２；２．陕西省汉中供电公司，陕西汉中７２３３００）　摘要：为研究转角塔最佳基础预偏值及设预偏之后铁塔的内力以及挠曲的变化规律，利用分析软件ＡＮＳＹＳ建立铁塔未设预　偏以及设预偏的有限元模型，通过对２种模型在荷载的长期效应组合作用下加载的结果进行分析和对比，找出铁塔的内力及　挠曲变化的规律，并且研究了不同转角度数对铁塔的内力及塔顶位移的影响规律。不仅为转角塔的设计提供了依据，而且找　出的最佳基础预偏值能指导施工，保证了组塔后铁塔不向内角倾斜，降低了倒塔断线的概率。　关键词：转角塔；基础预偏值；铅垂线位移　中图分类号：ＴＭ７５４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１６６３（２０１３）０２—０１０３—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｅ—－ｂｉａｓｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ａｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ＧＡＮ　Ｆｅｎｇｌｉｎ　，ＺＨＡＯ　Ｊｉａ　，ＨＵ　Ｋｕｎｑｉ　，ＣＨＥＮＧ　Ｙｉｎｊｉａｎ　，ＣＨＥＮ　Ｂｏ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒ“１ｅａｓｔ　Ｄｉａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　１３２０１２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｘｉ　Ｈａｎｚｈｏｎｇ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ　７２３３００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｅ—ｂｉａｓｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ａｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｂｉａｓｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｓｅｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｐｒｅ　—－ｂｉａｓｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍｏｄｅｌｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　１ｏａｄ．ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｉＳ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｎｇｌｅ　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｏｎ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｏｗｅｒ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ，ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｎｇａｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ｂｕｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｅ—ｂｉａｓｅｄ　ｖａｌｕｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｔｉｌａ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｎｃ—ｒ　ｔｉｏｎ。ｐｒｅｖｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｔｏｗｅｒ　ｆｒｏｍ　ｔｉｌｔ　ｉｎｗａｒｄ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ；ｂａｓｉｃ　ｐｒｅ—－ｂｉａｓｅｄ　ｖａｌｕｅ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｌｕｍｂ　ｌｉｎｅ　转角塔在两侧导线、地线的张力以及风载作用　下，合力方向为转角塔的内角方向，导致铁塔在内　角侧会产生一定的挠曲，在新建的送电线路竣工验　及将来的运行过程中不向内角侧倾斜　Ｊ，在基础施　工过程中就应该考虑转角塔向外角侧方向预倾斜　的问题，但预倾斜多少才能既保证基础角钢与铁塔　连接恰当，又使铁塔架线前向外角侧预倾斜合理，　一收和日常的运行检修中，经常发现转角塔结构倾斜　超标。造成这种情况的原因除了铁塔自然、加工等　因素外，绝大多数是由于预偏不当造成的，因为预　偏值的研究一直是一个比较模糊的区域，所以有的　直是施工技术人员多年来探索的问题。本文对　此进行了研究。　施工单位干脆不考虑预偏，给架线后线路的正常运　行留下了隐患。　架空输电线路设计规程中规定：“设计中应根　１有限元模型建立　选用刚桁架模型建立转角塔，以梁单元　ＢＥＡＭ１８８模拟输电塔主材和主腹杆杆件，用杆单元　ＬＩＮＫ８模拟次腹杆杆件，梁单元围成铁塔模型的整　个框架。对输电塔模型进行模态分析，各低阶阵型　并无出挑现象，说明结构各杆件和节点连接完好，　得到的模型的第一阶频率　＝２．０９。设计规程给　出的经验公式为　Ｔ１＝０．０３４Ｈ／　据杆塔特点提出施工预偏要求，预偏数值应保证杆　塔不向内侧倾斜，转角杆塔不向转角内侧倾斜”¨Ｊ、　“在荷载的长期效应组合作用下，转角塔的计算挠　曲度不超过塔高的７％０”…。为保证转角塔紧线后　收稿日期：２０１２一ｌ１一Ｏ７　作者简介：甘凤林（１９６４一），男，１９８８年毕业于东北电力大学热能与　动力工程专业，教授，研究方向为输变电线路工程。　式中：日为杆塔高度，ｂ为塔头宽度，　为根开宽度。　１０４・　・黑龙江电力　第３５卷　计算得出　＝２．１３１。由于规范自振周期公式是基　于铁塔均布质量理论得出的，而ＡＮＳＹＳ有限元模态　计算时计人了横担质量，虽然两者计算结果不完全　一架线前旋转后　对锚垂线位移　。　，，，　／　／　致，但是后者更接近于现实情况。　ｇ　ｇ　、　＞＜一一…垂＼　　’　移　，一／　架线　！箩　综合１　２荷载的施加　在长期效应组合下（无冰、风速５　ｍ／ｓ及年平　均气温）进行输电塔结构分析时，应考虑自重、风荷　载、导地线张力。风荷载和导地线张力以等效静载　的形式作用在塔架模型上，塔架风荷载计算时按不　同风压高度变化系数把塔架模型分为１５段，将风　载加载在杆塔主材节点上。将输电塔整体旋转就　可以达到预偏的目的，设预偏值之后，倾斜的角度　荷载换算成直角坐标系下的荷载进行加载。基础　预偏值从５　ｍｍ开始，以５　ｍｍ为额度逐渐增加，每　增加１次就整塔旋转１次，换算１次荷载，如图１、　图２所示。　图１　未设预偏加载示意图　图２设预偏加载示意图　３　固定转角度数的数据提取及分析　在３种工况中，选取最不利工况，且风从反受　力侧超受力侧为例，经过多次反复计算之后，提取　应力轴力位移等数据，　从架线前后杆塔和铅垂线位移图３可以看出，　架线前基础预偏值为０一ｌ３５　ｍｍ时，杆塔向反受力　侧偏移幅度剧增，基础预偏值每增加１　ｍｍ，塔顶相　对于铅垂线的位移就增加５．８　ｌＴｌｍ。架线后，随着基　础预偏值的增加，杆塔相对架线前的变形越来越　小．在０　１３５　ｍｍ范围内，变化幅度达１８　Ｉｎｍ，便于　用重力平衡外力。　各方向节点位移如图４所示。图４也证明了这　一点，此时也是节点的位移，Ｘ正向位移减小幅度达　２０　ＩＴＩＩＴＩ．ｚ方向负向位移减小幅度达１０　ｍｉｌｌ，而Ｙ方向　不变，始终维持在７～８　ｍｍ。由应力变化图５可得，　拉应力和压应力都随着预偏值的增加而减小，基础　移　基础预偏ｆｉ￣／ｍｍ　图３架线前后杆塔和铅垂线位移　预偏值从０　ｍｍ增加到ｌ３５　ｍｉＩｉ时，拉应力减小　９％，压应力减小４％。　曩　内侧基础预偏值／ｍｍ　图４各方向节点位移　５　１５　２５　３５　４５　５５　６５　７５　８５　９５　１０５１１５　１２５１３５　内侧基础预偏值／ｍｍ　图５应力变化图　由基础预偏值和预偏率的变化图６可以看出，　预偏率由基础预偏值０　１－ｉｔｍ时的一８．８４％。到基础预　偏值５３　ｍｍ时的０，再到基础预偏值１３５　ＩＩｌｍ时的　１３．１８％。。负值表示杆塔受力后向内侧（受力侧）　偏，显然这是不允许的，正值刚好相反。根据杆塔　设计规程的７‰为原则，合理的基础预偏值和杆塔　预偏率的数据如表ｌ所示。　第２期　ｍ　４　０　甘凤林，等：转角塔基础预偏研究　罐　・１０５・　静　送　图６基础预偏值和预偏率的变化图　表１　合理的基础预偏值和杆塔预偏率数据　基础预偏值／ｍｍ　预偏率／％。　基础预偏值／ｒａｍ预偏率／‰　６０　０．９３６　８０　４．１９８　６５　１．２６２　８５　５．０１３　７０　２．５６７　９２　５．８２９　７５　３．３７７　９５　６．６４　４　拟合曲线与最佳预偏值的确定　利用准牛顿法与通用全局优化法拟合出基础　预偏值与架线前后塔顶位移的曲线，回归出函数的　优点，架线前后可以对比，实测的和理想的有出入，　可以用函数反算出调节多少基础预偏值。　基础预偏值与架线前塔顶与中垂线位移方　程为　Ｙ＝１／［０．０４５　６（ｘ一６４．８２９）　＋　０．０５４　１６］５．７８８　３ｘ　基础预偏值与架线后塔顶与中垂线位移方程为　Ｙ＝３２１．２１—５．８４７ｘ一０．００１　０２ｘ　＋２．３ｘ　最佳预偏值的确定原则：保留一定施工於度、　杆件内力小、与中垂线的位移符合规范要求，保证　架线前，预偏之后杆塔在自重条件下向外侧位移　最小。　按照设计规范７％ｏ的规定和验收规范不向内侧　倾斜的要求，合理的基础预偏值与受力后相对于铅　垂线之间的距离以及预偏率如表２所示。规范７％ｏ　是２５５．５　ｍｍ，但在架线前基础预偏值越大，杆塔所　受的轴力就越大，如图７所示。从图７可以看出，这　对架线前的杆塔来说是不利的；即便架线后预偏值　越大，应力、轴力等在充分利用自重平衡外力的作　用下都是变小的。另外考虑施工的於度和精度，让　预偏率保证在２％０内是很难的，参照外国的２．０８％０，　建议基础最佳预偏值选择在７０～７５　ｍｍ，就能保证　杆塔在架线挠曲后预偏率在２．５６％ｏ～３．３７％ｏ。与　规范的７％０相比，要精确很多。　表２合理的基础预偏值与受力后相对于　铅垂线之间的距离以及预偏率　旋转前相对中垂线位移　∞∞∞∞∞０∞∞∞∞∞　，　０　星　，，，，，，，。＝　登　５　１０　Ａｆｔ＂＂　一２０　２　．　：　一　一　一　转角度数　。）　图７转角度数与杆塔的变形图　５　固定基础预偏值、改变转角度数的　数据提取及分析　在最佳基础预偏值７０—７５　ｍｍ内，以７０　ｍｍ为　例，对转角塔改变转角进行研究。改变转角意味着　改变角度荷载，首先计算出不同转角度数的荷　载值。　由转角度数与预偏率的关系图８可以看出：随　转角度数增加，架线受力后塔顶位移增加；相对于　铅垂线的位移也从一３９７．１　１　ｍｍ（也就是说预偏太　大了）到一９３．７７　ｍｍ，预偏率分别为一１０．８７％０　转角度数，（。１　姗　堡　图８转角度数与预偏率的关系　黑龙江电ｍ　力　第３５卷　如　¨与一２．５６９％０，按照规范要求只有转角为２Ｏ。一４０。　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　的杆塔基础预偏值设为７０—７５　ｍｍ时，完全符合　。　／　７％０的要求。但是从本文来看，朝外侧倾斜的越多，　杆塔的内力等都是减小的，是有利的。同时，在工　程上一１０％ｏ左右的预偏率是可以接受的。　・　＼系列１　由各节点位移与转角度数的关系图９可以看　出，随着转角度数的增加，　方向的位移与综合位移　在转角４。之后同比例增大，ｙ方向位移先由正到　＼　转角度数／（。）　负，再到正（向ｙ正向，再向ｌ，负向，再到ｌ，正向），　即在４。一３０。，ｌ，向位移为负，ｚ向位移逐渐变大。　暑　昌　、　簿　攥　５　３　ｌ　ｌ　　一３　一　５　一　７　一　９　一　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　０　＝，珥　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　５　０　５　Ｏ　Ｏ　Ｏ　ＯＯＯ　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　半转角度数　。）　图９各节点位移与转角度数的关系　由转角度数与应力关系图１Ｏ与转角度数与应　力关系图１１可得：在０。一２６。，拉应力与受拉杆件　的轴力几乎都维持在７８　ＭＰａ，而在２６。～４Ｏ。，拉应　力增加明显；在０。一４０。，压应力一直增大，受压构　件的轴力也一直增大。由转角度数与应力趋势图　１２和转角度数与轴力趋势图１３看出：在０。一２６。，　转角度数每增加１。拉应力与受拉构件轴力的几乎　不增加，在２６。～４Ｏ。之后，转角度数每增加１。拉应　力增加１０　ＭＰａ；在０。～４０。，转角度数每增加１。压应　力增加１０　ＭＰａ。而轴力更不一样，０。～２８。，受拉构　件的轴力几乎不变，２８。一４ｏ。，每增加１。，受拉构件的　轴力增加４　０００　Ｎ左右；对于受压构件，０。一６。，每增　加１。轴力增加２　５００　Ｎ左右，６。一４０。，按照３４　０００　Ｎ比率增加的。　拉厦力　．　＼　／　５　ｌ０　１５　２Ｏ　ｊ　、、、、压应力　、、、／　转角度数，（。）　图ｌＯ转角度数与应力关系图　图１１转角度数与应力关系　：　杆件应力增加值Ｊ、　～　Ｉ　ｆ’　力增加值　一　一…——一釜　ｉｒ　转角度数　。）　　Ｏ　５　Ｎ，　暴　图１２，　转角度数与应力趋势　∞∞　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　∞∞吣吣　拉轴力增加值、　Ｊ　．２　４　６　８　１０　１２　１４　１６　１８　２０：　．　每增］Ｊｉｌｌ。受　．＼．　力增　一　转角度数　。）　图１３转角度数与轴力趋势　６　结　论　１）当西北地区常用的特种杆塔的最佳基础预偏　值为６５—９５　ｌ／ｉｎ］时，建议最好调到７０～７５／／ｌ／ｎ，因为此　时预偏率在２％－３％，便于施工，杆塔更安全。　２）对于其他类型的杆塔，应按照经验公式计算　出最佳预偏值，加上２５％的施工於度，这样可以更　好地与理论计算吻合。　３）可用拟合出的基础预偏值与架线前后塔顶　位移的函数，在架线前后或者运行检修时可反算出　基础预偏值和塔头位移的关系，以便调节。　参考文献：　［１］张殿生．电力工程高压送电线路设计手册［Ｍ］．北京：中国电　力出版社，２００３．　［２］ＣＢＪ　２３３－９０，１１０—５００　ｋＶ架空线路施工及验收规范［ｓ］．　（责任编辑王小唯）　５