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高压输电线路覆冰倒塔非线性屈曲分析

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李雪，李宏男，黄连壮

（1．大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023；2．辽宁省电力勘察设计院，辽宁沈阳110005）
摘要：本文以湖南地区挂靖线220KV输电线路覆冰倒塔为例，按原工程资料建立精细化输电塔-线体系有限元模型。
依据三峡地区覆冰资料建立覆冰增长曲线，考虑水平垂直档距、高差、不均匀覆冰和风荷载影响，对覆冰和风荷
载作用下输电塔-线体系进行非线性屈曲分析，计算出覆冰荷载以及风荷载与覆冰共同作用下输电塔结构的极限承
载能力，分析了倒塔的主要原因。研究表明，过载和不均匀覆冰引起的不平衡张力以及风荷载是倒塔的主要原因,
重冰区覆冰架空输电线路技术设计规程的荷载水平需要进一步提高。
主题词：输电塔-线体系；覆冰；非线性屈曲分析；倒塔
中图分类号：TM75,O342文献标示码：A6

1前言

作为输电线路中重要组成部分的高压输电塔,是一种重要的生命线电力工程设施。而覆冰和风荷载是引起输电
塔破坏、输电线路中断的重要原因之一[1]。各类输电线路事故在我国发生过上千次[2]。最严重事故发生在2008年初，
我国受灾地区的电力设施带来严重影响。由于输电线路覆冰严重，导致多条输电线路输电塔、导线、绝缘子、金
具等遭到不同程度的损坏。国内一些学者和工程师曾对2005年湖南覆冰倒塔进行了研究，如刘纯等[3]对湖南500kV
复沙I线倒塔段应用有限元计算程序建立单元模型,计算出铁塔随导线覆冰厚度变化的极限承载力。陆佳政等[4]对
500kV输电塔线覆冰进行了有限元分析计算。刘纯等[5]针对运行中失稳的拉线门型塔,应用有限单元法对该塔的不同
荷载工况进行了稳定性分析。但这些分析都没有考虑不均匀覆冰和风荷载的影响，有可能高估了输电塔结构的抗
覆冰能力。
本文以挂治水电站～靖州变220kV输电线路冰灾中53#和54#倒塔为例，按原工程资料建立精细化输电塔-线体
系有限元模型，考虑覆冰和风荷载的影响，对覆冰和风荷载作用下输电塔-线体系进行非线性屈曲分析，得到了铁
塔的不平衡张力,分析了铁塔的最大压应力，为工程设计提供了依据。
2结构的非线性屈曲分析
本文采用有限元软件ANSYS进行计算，屈曲分析的目的是确定结构从稳定的平衡状态变为不稳定的平衡状态时
的临界荷载。普遍采用的两种分析方法是理想结构的特征值屈曲分析和缺陷结构的非线性全过程屈曲分析[6]。

2.1特征值屈曲分析
特征值屈曲分用来预测一个理想线性结构的理论屈曲强度，优点是无须进行复杂的非线性分析，即可获得结
构的临界荷载和屈曲形状，并可为非线性屈曲分析提供可供参考的荷载值。这里采用BlockLanczos[7]方法求解了
结构的一阶特征值，其控制方程为

⎡⎤（1）
()⎣⎦KKβσ+λψ[]{}=0

式中，λ为特征值，即普通常意义上的荷载因子；ψ为特征位移向量；⎡⎤为结构的小位移(即弹性)刚度矩阵；
{}⎣Kβ⎦

[8]
为参考初应力矩阵。
[Kσ]

2.2非线性屈曲分析
为了考虑初始几何缺陷对结构理论屈曲强度的影响，必须对结构进行基于大挠度有限元理论的非线性屈曲分
析。跟踪非线性平衡路线的应用较多、效果较好的方法是柱面等弧长法。迭代过程中，这里选取荷载收敛准则[6]作

收稿日期：
基金项目：国家自然科学基金重点项目（50638010）、教育部博士点基金项目（20060141027）、教育部创新团队发展计划资助
项目（IRT0518）和高等学校学科创新引智计划资助项目(B08014)。
作者简介：李雪（1983—），男，硕士研究生，主要从事输电塔线体系抗冰风研究。
为收敛与否的判据，即

{}{}gTgq≤β{}{}Tq（2）

式中，{g}为节点不平衡力向量；{q}为参考荷载向量；β为参数，可取10-5。如果迭代次数已经超过某一预定
的最大值或位移向量越来越大，则视为发散。

3工程概况
挂治水电站～靖州变220kV输电线路，起自挂治水电站升压站，止于靖州220kV变电站，电压等级为220kV，
按单回路设计，线路路径长度为57.381km，其中20mm冰区段长度为8.763km。共175基杆塔。线路途径湖南省
靖州苗族侗族自治县和贵州锦屏县，高山占17%，山地占73%，丘陵占10%。高程在300m～800m之间。在本线
路的20mm冰区，全部采用铁塔，直线塔型均为FZ5型，共使用了22基，尺寸见图1。
原FZ5直线塔并非针对重冰区设计的直线塔型，在本工程使用中按照重冰规程考虑纵向不平衡张力和纵向
不均匀脱冰对铁塔构件进行了加强。线路的53#（FZ5-31m）、54#（PZ5-40m）共计2基发生覆冰倒塔事故，事故
段均位于湖南省靖州苗族侗族自治县境内，倒塔位置位于20mm冰区，海拔高程为720m左右。