山区输电线路由于受到输电走廊及环境等多方面因素限制, 在塔位选择时经常面临坡度20°~40°的陡峭地形, 局部地区甚至达到45°以上^[1]。此外, 山区输电塔位由于受线路路径和地形地貌的限制, 经常会出现塔腿正面 (或侧面) 连线与山体坡度成一定角度, 造成塔腿级差过大, 从而需要进行大面积开方甚至导致塔位不成立^[2]。

　　 旋转塔是在保持塔头布置角度不变的情况下, 通过在塔头与塔身连接处或塔身其他部位设置一个转换层, 塔身可以相对塔头进行旋转, 当塔身相对塔头旋转一定的角度后, 使得塔腿正面 (或侧面) 连线与山体坡度平行 (或垂直) , 从而适应塔位地形条件, 减小塔腿级差, 使个别受限制塔位立塔成为可能, 从而使整条输电线路路径方案成立^[3]。由于旋转塔结构受力和传力的力学计算模型与传统结构有一定的差异, 加之转换层节点构造的复杂性, 因此对旋转塔结构的模拟分析显得十分重要。

　　 输电塔线体系所受的外力载荷较为复杂, 这与其所处的地形环境有关。在对输电铁塔进行受力分析时, 其所受的集中载荷主要是作用于横担两端的绝缘子和导线所施加的力。力的大小与导线及载荷计算参数的选取有关。本文通过研究输电铁塔在4种工况下结构的承载力变化以及转换层的变形情况, 对现有设计方法^[4]提出了设计建议和方向。

　　 本文应用ABAQUS/Standard程序对结构体系进行模拟计算分析。该塔全高4.96m, 由高1.3m的转换层和1m高的塔腿、2m高的曲臂以及0.6m高的横担组成。横担与塔身采用角钢, 主材采用Q345钢, 辅材采用Q235钢, 截面尺寸如表1所示, 有限元模型见图1。

　　 为模拟固定支座, 塔底端和塔腿底部采用固定约束, 将结构系统的基础假定为刚性, 不考虑地基变形等影响。桁架角钢及钢板采用B31空间线性梁单元模拟, 该单元考虑剪切变形以及有限轴向应变, 适用于模拟剪切变形起主要作用的深梁和剪切变形不太重要的细长梁, 梁类型为柔性剪切, 采用刚性连接^[5]模拟钢桁架之间的节点板连接。材料本构关系采用理想弹塑性模型, 通过材性试验确定钢材的实际性能。根据《金属材料室温拉伸试验方法》 (GB/T 228—2002) 、《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》 (GB/T 2975—1998) 的有关规定进行取材和试验, 具体结果见表2。分析考虑几何非线性。

　　 本有限元模拟包括4种荷载工况:工况1为最大弯工况, 工况2为最大扭工况, 工况3为单侧扭工况 (断线) , 工况4为90°大风工况。分别考虑对于转换层、塔头下曲臂、塔腿等桁架的最不利荷载进行加载。荷载采用力控制进行加载。加荷点分别设置在横担N₁, N₂, N₃点^[6]之上, 具体位置如图2所示。

　　 各工况下各加荷点荷载值见表3, 本模型采用增量加载方式, 在设计荷载的基础上荷载以线性方式按比例增加, 直到铁塔破坏、程序无法收敛为止。

　　 输电铁塔是空间超静定结构, 某个杆件的损坏并不能导致整体结构的破坏, 只有当杆件损坏数量达到一定数目, 使结构转变为机构后铁塔结构才会真正破坏。本文采用静力加载对输电铁塔进行了静力特性分析。结构静力分析是输电铁塔分析中最为常用的一种分析类型, 是进行其他分析的基础。通过静力分析可以得到各个方向的变形及总变形、应力应变分量、支反力等结果^[7]。

　　 输电铁塔结构的组成杆件是由螺栓连接而成的, 单个杆件受到轴向力、剪力和弯矩的作用, 与轴向力相比, 剪力和弯矩对杆件的影响不大, 轴向力是杆件的主要内力。输电铁塔在最大弯工况下的位移云图和应力云图见图3。

　　 输电铁塔最大位移位于塔头端荷载施加处, 节点号为1。左右横担偏移量相差很小, 最大偏移量为1 068mm, 约占全塔高的21.5%, 转换层与塔头下曲臂连接处最大偏移量为-604mm, 转换层与塔腿连接处最大偏移量为-208mm。铁塔主材节点上的偏移量随高度的增加而增加, 在最大弯工况下结构破坏时, 塔腿已完全屈服, 最大应力的单元编号是5733, 最大等效应力位于塔腿主材与转换层连接处, 此处应力最大值是410MPa。可见, 在最大弯工况下, 转换层与塔头下曲臂桁架杆应力较小, 破坏首先发生在塔腿处, 塔腿杆件强度与刚度对输电转换塔承载力及刚度影响最大。

　　 输电铁塔在最大扭工况下的位移云图和应力云图见图4。输电铁塔最大位移位于塔头端荷载施加处, 节点号为25。试件变形以扭转为主, 左右横担偏移量相差不大, 最大偏移量为45.63mm, 约占全塔高的9%, 转换层与塔头下曲臂连接处最大偏移量为10.17mm, 转换层与塔腿连接处最大偏移量为-6.06mm。在最大扭工况下结构破坏时, 最大应力的单元编号是1491, 最大等效应力位于横担下部斜材处。根据试件加载过程中的应力云图可知, 应力最大点为试件转换层, 横担次之。

　　 输电铁塔结构设计时, 其横担的设计主要根据断线事故导线张力计算。输电铁塔在最大单侧扭工况下的位移云图和应力云图见图5。

　　 输电铁塔最大位移位于塔头端荷载施加处, 节点号为25。根据位移云图可以看出, 变形主要集中在加载点一侧, 加载点附近横担变形远大于远端横担。最大偏移量为1 053.32mm, 约占全塔高的21%, 转换层与塔头下曲臂连接处最大偏移量为147.381mm, 转换层与塔腿连接处最大偏移量为67.865 5mm。在最大单侧扭工况下结构破坏时, 最大应力的单元编号是1523, 最大等效应力位于横担斜材处。根据有限元分析结果, 试件在单侧扭转工况下应力主要集中于横担靠近加载端头处, 横担性能决定了试件的整体强度和刚度。

　　 图3 输电铁塔在最大弯工况下的位移及应力云图

　　 输电线路中的输电铁塔和输电线都是高柔性结构, 在风激励的作用下极易发生倒塔断线事故。对输电铁塔加载风载荷并运行求解后, 输电铁塔在90°大风工况极限载荷作用下的位移云图和应力云图见6。图

　　 根据计算结果可知, 在大风作用下, 输电铁塔塔头偏移较大且左右横担偏移量一致, 铁塔最大位移位于横担上端, 节点号为1。最大偏移量为300.206mm, 约占全塔高的6%, 转换层与塔头下曲臂连接处最大偏移量为115.266mm, 转换层与塔腿连接处最大偏移量为42.039 1mm。

　　 在90°大风工况下, 结构破坏时塔腿已完全屈服, 最大主应力的单元编号是3794, 位于塔腿上的主材处。铁塔迎风面杆件受拉应力, 背风面杆件受压应力, 铁塔主材节点上的应力随高度的增加而减小, 且铁塔迎风面受拉主材中产生的轴力大于背风面受压主材中产生的轴力。从杆件总体看, 受压杆件较多, 占杆件总数的一半以上, 且塔腿横隔部位的部分杆件长细比较大, 对这些杆件来说, 局部失稳往往是最主要的失效形式。塔腿为大风作用下最先破坏的结构, 受压侧桁架可能出现失稳等不利情况。

　　 分别对4种荷载工况作用下的结构进行荷载-位移分析^[8], 由于数据较多, 只列出了4种工况下塔头顶点在关键方向上的荷载步-位移曲线, 见图7。可以看出, 结构可以分为弹性和屈服两个阶段。这充分体现了结构在增量荷载作用下明显的弹性和塑性性质, 类似于钢材材料的应力-应变曲线变化。

　　 在弹性阶段, 结构整体变形符合虎克定律, 荷载与位移在图中表现为一条斜直线。结构中的杆件没有发生屈服。弹性阶段试件在最大弯工况下初始刚度最大, 最大扭工况、单侧扭工况较小, 90°大风工况作用下初始刚度最小。

　　 在屈服阶段, 结构位移与荷载不再呈直线变化, 由于有限元模拟采用理想弹塑性本构模型, 在弹塑性阶段位移迅速变大而试件承载力几乎不增加, 结构的塑性性质非常明显。随着荷载的不断增加, 杆件进入屈服状态, 整体屈服发生, 结构整体刚度减小。最大扭工况屈服荷载最大, 试件承载力较高, 最大弯工况、单侧扭工况下屈服荷载较小。当达到极限荷载时, 塔腿位置主材发生失稳破坏, 输电铁塔失效退出工作。可见, 加转换层的输电桁架塔在最大弯工况下刚度较大, 但是在最大扭工况作用下承载力较大。在90°大风工况下试件刚度较小, 承载力较低, 为最不利荷载。

　　 (1) 在最大弯工况下, 试件首先在塔腿处破坏, 试件初始刚度及承载力较大, 结构破坏合理, 变形主要集中在塔头下曲臂处。

　　 (2) 在最大扭工况下, 试件的最大应力发生在转换层中, 构件在此工况下承载力最大, 变形主要集中在塔头下曲臂处。

　　 (3) 在单侧扭工况下, 试件的变形主要集中在加载侧横担处, 试件首先在横担处发生破坏, 塔头下曲臂、转换层及塔脚处应力较小, 试件的承载力及刚度主要由横担决定。

　　 (4) 在90°大风工况下, 试件应力主要集中于柱脚与转换层相交处, 试件刚度及承载力比其余工况较小。