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摘要：对于一条投入运行的高压输电线路而言，其往往绵延数千米甚至数百千米，且路径的地貌地形差异很大，有平原、丘陵、山区等复杂地形，再加上微气象等条件的变化，输电线路组成部分铁塔、导地线等的受力状况，都会因运行工况的变化反生改变。覆冰作为其中一种运行工况，其对输电铁塔的力学特性影响更为突出。当发生较大面积的输电线路覆冰时，有可能会发生铁塔构件屈服甚至倒塔的严重后果，而这一点对于具有相对特殊结构的同塔双回输电铁塔而言，更加明显。故对覆冰状态下，进行更为深入细致地研究同塔双回输电铁塔的受力相应，并找出其中的相关规律，对今后预防此类事故的发生具有现实意义。
关键词：杆塔；覆冰；应力相应
1引言
据2008年雨雪冰冻灾害的灾后调查，冰灾中90%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及自然条件下不均匀脱冰产生的顺线路方向的不平衡张力造成。
针对覆冰状态下，输电铁塔的力学特性的细致研究，找出铁塔主要构件力学特性的变化规律，具有很大的现实意义，为及时有效地采取除冰措施，预防线路冰害事故的发生，提供一定的参考价值。另外随着对输电线路覆冰灾害事故的不断认识。鉴于此，本课题拟对同塔双回输电线路建立塔线体系整体有限元模型，并借助大型有限元软件ANSYS进行有限元分析，旨在通过对输电线脱冰（自然及人工脱冰等状况下）前后铁塔响应的分析比较，达到校验铁塔强度的目的。
2同塔双回输电塔线体系有限元建模
2.1输电线路的组成
架空输电线路主要由导线、地线、绝缘子（串）、线路金具、杆塔和拉线、基础以及接地装置等部分组成，如图2.1所示。
1）导线用以传导电流，输送电能。它通过绝缘子（串）悬挂在杆塔上。导线常年在大气中运行，长期受风、冰、雪和温度变化等气象条件的影响，承受着变化拉力的作用，同时还受到空气中污物的侵蚀。2）地线又称避雷线，是悬挂在导线上方的一根或两根金属线，主要作用是防止雷电直击导线，同时在雷击杆塔时起分流作用，对导线起耦合和屏蔽作用，降低导线上的感应过电压，以保证线路安全运行。3）绝缘子用来支持货悬挂导线和地线，保证导线与杆塔间不发生闪络，保证地线与杆塔间的绝缘。4）输电线路金具在架空输电线路中起着支持、固定、接续保护导线和避雷线的作用，并且能使拉线紧固。5）杆塔基础是将杆塔固定在地面上，以保证杆塔不发生倾斜、倒塌、下沉等的设施。
图1：输电线路模型组成图
2.2输电线路塔线体系建模
架空输电线路的运行状况具有非常的特殊性，在对其进行相关力学性质的分析过程中，若要进行复杂气象条件下的长线路，多档距的大型试验研究，不仅成本代价过高，而且试验场地、设备、测量技术等均具有不同程度的局限性。ANSYS作为国际通用大型有限元分析软件，无论在模型的建立方面，还是在模型求解方面，都具有非常高的精度，且操作简便。本文选用ANSYS作为模型仿真分析平台，选择某500kV输电线路一耐张段的同塔双回输电线路塔线体系为研究对象，研究考虑铁塔与导地线耦合作用的输电塔线体系整体有限元模型的建立，建模中采用kg、mm、N单位制。
本文采用桁梁混合模型，利用ANSYS建模，主材和斜材采用BEAM188梁单元，辅助材采用LINK8杆单元。模型图如下：
（a）SJ型转角塔三维视图（b）SJ型耐张转角塔三维局部图
（c）整体有限元模型（d）局部放大模型
图2：输电线路工程ANSYS模型
3输电线路覆冰状况模拟
3.1输电线路塔线体系建模
输电线路的覆冰状况相对而言较为复杂，这是因为线路容易受到地理环境的影响，铁塔作为输电线路的重要组成部分之一，固然也不例外，针对其在各种实际运行状况下的力学特性的研究尤为必要。本文经过对于覆冰时输电线路所处的环境参量的分析，提取最主要的两个影响因素—覆冰厚度和风速，对铁塔的受力响应进行深入分析。这样既保证了仿真模拟的逼真性，又简化了模型计算的复杂性。研究中，依据我国典型气象条件进行了典型值选取，然后将其进行排列组合，共设计了43种覆冰模拟状况，记录了每基铁塔关键构件（铁塔横担主材、塔身主材等）的361个应力值，为了计算模型的简化，线路覆冰假设为均匀覆冰。
（c）塔线体系整体位移云图（d）塔线体系整体应力云图
图3.1杆塔整体以及横担受力状态图
均匀覆冰状况下，整个塔线体系每个节点受力图可以由整体位移云图以及应力云图看出，导线最大应力作用在杆塔出现在悬挂点。又作用在杆塔的应力反映在横担处，下面通过ANSYS得出横担处位移云图以及应力云图。
对上述应力结果进行拟合，得出应力和冰厚的关系曲线，拟合曲线见图3.2，可以看出两曲线线形以及偏差较小，拟合结果符合实际规律。
图3.2杆塔应力-冰厚拟合曲线
3.2相应分析
从图3.1和3.2可以看出：杆塔以及各横担主材角钢的应力与覆冰厚度之间存在一定的规律性变化，对各应力值的变化规律进行函数拟合后发
现，各应力值随冰厚的增加呈指数增长规律，拟合精度高达0.9905以上，指数范围集中在0.03300~0.04769之间，存在不同程度差异的原因在于，组成铁塔各横担的角钢结构尺寸及材料特性略有不同。在覆冰厚度从0增长到50mm的过程中，地线横担主材角钢的拉应力及压应力均呈指数规律增长，且二者的增加速率大体一致，具体表现为两条拟合曲线几乎重合在一起。
而对于各横担主材角钢的拉、压应力而言，各应力随覆冰厚度的增加，同样具有类似的变化规律，即呈指数函数规律变化。但它们同地线横担各应力的变化规律有所不同，表现为拉应力明显比压应力要大的多，且拉应力的增加速率大于压应力的增加速率，即曲线逐渐拉开距离。
3.3杆塔设计阶段需求分析
杆塔设计过程中，要综合考虑覆冰影响因素，在山区冰区，充分考虑覆冰等级，中重冰区杆塔设计是当前设计重点，杆塔典型设计的细化有助于节约资源提高材料利用率。各覆冰等级下杆塔应力响应分析给典型设计提供一定的理论基础。
4结论
通过对覆冰状况下同塔双回输电铁塔的受力响应进行仿真分析后，得到以下结论：，随着覆冰厚度的增加，线路铁塔横担主材以及塔身主材角钢应力变化呈现出无风荷载作用时一定规律性，具体为：无论是直线型杆塔还是耐张型铁塔，各个横担主材角钢应力值，均随覆冰厚度的增加呈指数函数增长趋势。铁塔横担主材辅材角钢应力值随风荷载增加变化并不大，而塔身主材辅材角钢应力值随风速增加的指数变化规律，该规律几乎不受塔型的影响，对于直线塔以及耐张塔同样适用。
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