摘 要：以哈密—郑州±800kV特高压直流输电塔为例，对特高压输电塔挂点结构的承载能力进行了有限元分析，建议挂线板面内承载力参照美国钢结构设计规范进行计算，面外承载力按三边固结、一边自由的双向板进行计算。对局部开槽的角钢横担主材承载力进行了对比计算，建议开槽深度不超过主材肢宽的1/3，同时给出了缓解应力集中的构造措施。
关键词：特高压输电塔； 挂线结构； 有限元分析
0 引 言
我国目前正在进行包括1 000 kV皖电东送交流输电线路工程、哈密—郑州±800 kV直流输电线路工程在内的多条特高压工程建设。
以往我国超高压线路广泛使用的挂点金具，悬垂串为UB挂板，耐张串为U形挂环，这两种挂板具有结构简单、安装方便的特点。随着输电线路的发展和特高压工程导地线荷载的增大，对挂点金具的强度和结构要求越来越高，目前特高压输电线路中主要采用的挂点金具有GD挂板(耐张串联塔金具)和EB挂板(悬垂串联塔金具)，这两种挂点金具避免了UB挂板、U形挂环等挂点金具受力不合理的连接组合，提高了金具运行安全性，哈密—郑州±800 kV高压直流输电线路工程的直线塔和耐张塔挂点金具分别采用如图1所示的EB挂板和GD挂板[1]。
a—EB耳轴挂板;b—GD挂板。
图1 特高压输电塔挂点金具
随着挂点金具承载能力的提高，为保证线路运行安全的匹配性，输电塔挂线板样式和横担挂点结构必须随之改变。挂点结构承载力的校验主要包括挂线板承载力计算和横担挂点局部强度验算。
1 挂线板承载力计算
无论挂线板采用型钢还是板件，挂线板承载性能均可按照加劲钢板进行分析。挂线板承载能力主要包括面内承载力、面外承载力和局部承压承载力，其中输电线路行业设计标准DL/T 5154—2012《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[2](以下简称《杆塔规范》)对局部承压计算给出了明确规定，本文主要对挂线板面内、面外承载能力进行分析。
1.1 挂线板平面内受力分析
典型特高压输电塔挂线板面内受力问题可简化为图2a所示的力学分析模型。《杆塔规范》未就挂线板计算给出明确规定，仅给出了螺栓到挂板边缘距离h的最小容许长度为1.5d，d为螺栓直径。
a—力学分析模型；b—正应力分布模型。
图2 挂线板平面内受力计算模型
文献[3]给出了挂板的设计式，A—A、 B—B剖面的强度按式(1)验算。
(1a)
(1b)
式中：F为金具传递给挂线板的荷载设计值;b和t分别为挂线板宽度和厚度;d0为挂线孔直径;δ为应力集中系数，取值范围为2～3；f为钢材强度设计值。式(1)为基于弹性力学平板开圆孔问题的应力解析解[4]，图2b给出了与之对应的A—A、 B—B剖面环向正应力分布模式。
美国ANSI/AISC 360-05《钢结构设计规范》[5]给出的开孔受拉板件的设计式为：
(2a)
(2b)
式中：fv为钢材抗剪强度设计值。
式(2a)对应A—A截面的净截面受拉强度破坏，式(2b)对应孔边缘截面顺拉力方向的抗剪强度破坏。
以14 mm厚的Q345钢材挂线板为例，螺栓直径27 mm，开孔直径30 mm，板宽b取为2倍的螺栓端距，即b=2h。采用有限元分析软件ANSYS对挂线板面内极限承载力进行计算，挂线板采用Shell 181单元进行模拟。图3给出了挂线板破坏时的等效应力分布情况，由于均布压力直接施加在挂线孔边缘，A区域总是最先进入屈服，随着外荷载的增大，B区域也进入屈服，当A、B屈服区间贯通后，挂线板达到设计承载能力，相应最大位移为1～1.5 mm。
图3 挂线板等效应力分布 MPa
由于加载方式、挂线板尺寸与弹性理论解存在较大差异，并考虑到钢板的塑性变形能力，实际挂线板承载能力与式(1)的计算结果差异较大。图4对3种方法得到的挂线板设计承载力进行了对比，其中，ANSI/AISC 360-05的平直段表示式(2)的计算结果已超过挂线板的局部承压承载力。
图4 挂线板设计承载力对比
有限元计算结果表明，挂线板承载力随孔端距的增大基本呈线性增加，但当孔端距超过2.5d后，由于承载力主要由局部承压控制，增速明显放缓。通过图4对比还可看出，按文献[3]的纯弹性模式进行挂线板设计过于保守，按照ANSI/AISC 360-05的计算结果，当孔端距小于2d时，设计偏于危险，当孔端距不小于2d时，与有限元结果较为一致，推荐按式(2)进行挂线板面内承载力计算。
1.2 挂线板平面外受力分析
悬垂塔在正常工况下，挂线板主要承受面内荷载的作用，但在断线工况下则要承受面外荷载的作用，转角塔挂线板由于与导线方向存在夹角，无论是正常工况还是断线工况，均需计算挂线板的面外承载能力。以哈密—郑州直流输电线路直线塔挂点为例，该挂线板采用
160×14的角钢构件，角钢的一肢连接横担，另一肢上开挂线孔，为增强挂线板的面外承载能力，挂线板两侧焊接14 mm厚的加劲肋板，所有构件材质均为Q345, 如图5所示。
1—角钢横担；2—加劲肋；3—挂线孔；4—角钢挂线板。
图5 加劲挂线板示意
挂线板面外承载模式可视为三边支承，一边自由的加劲双向板，具体支承条件如下：当a/b较小时，肋板对挂线板的支承刚度不足，挂线板可近似视为悬臂板，当a/b较大时，肋板支承作用明显，可视为固结边[6]，挂线板靠近角钢横担一侧由于刚度接近，可视为固结。通常挂线板a/b约为1，可按照三边固结、一边自由的板件进行承载力设计，计算式如下：
(3)
其中
式中：β为弯矩系数，可按照双向板受均布力作用的弹性理论计算得出[7]；q为近似均布荷载；T为面外荷载设计值。
式(3)与《杆塔规范》中法兰板厚的计算式一致，主要区别在于法兰板支承条件为加劲边固结，另外两边一边自由一边简支，β系数的取值有所不同。
根据式(3)计算得出图5所示挂线板的面外设计承载力T=140 kN，β=0.086 6，a/b=1。图6为挂线板面外承载力有限元计算结果，从图6可以看出，在设计荷载T作用下，板面形成Y形的屈服区域，但变形只有2.7 mm，仍可继续承载。图7对比了式(3)与有限元计算得到的面外承载力，挂线板面外承载力与板厚的平方成正比，且随板厚增加，式(3)得到的承载力越偏于安全。
图6 挂线板面外承载等效应力云图 MPa
实际挂线板将同时受到面内、面外荷载的作用，设计时应适当留有裕度，在保证肋板刚度的前提下，建议板厚较计算值加厚2 mm。
图7 挂线板面外承载力对比
2 挂线点横担主材承载力计算
图8为哈密—郑州±800 kV高压直流输电线路工程某转角塔的挂点结构形式示意。为配合GD挂板的使用，采用双短角钢构成挂线板，短角钢与横担主材通过螺栓进行连接。转角塔横担主材采用了双肢T形组合角钢，考虑导线倾角，为方便GD挂点转动，在双肢组合角钢主材的一个肢上开槽。
a—横担主材正视图；b—横担主材俯视图。
1—角钢挂线板；2—双肢组合角钢横担；
3—开槽倒角；4—横担主材开槽。
图8 转角塔GD挂点示意
横担主材原为轴心受力构件，开槽后成为偏心受力构件。主材规格2180×14，材质Q420。开槽尺寸为140 mm×120 mm(宽×深)，轴向压力设计值1 850 kN。
图9为主材开槽是否倒角的有限元计算结果对比，开槽后横担主材属于典型的压弯受力构件，无论是否倒角，开槽处均存在较大的弯曲应力，由于开槽深度达到120 mm，即主材肢宽的2/3，弯矩影响很大，开槽角钢肢已基本屈服。但倒角后应力集中现象有所缓解，塑性发展区域较不倒角构件有所缩减。
a—无倒角；b—倒圆角。
图9 主材应力计算结果对比(开槽深度120 mm) MPa
a—不倒角；b—倒圆角。
图10 主材应力计算结果对比(开槽深度60 mm) MPa
图10将开槽深度改为60 mm，其他条件不变，重新对上述模型进行了计算。随着开槽深度的减小，偏心弯矩相应减小，同时有效承载截面增加，在设计荷载作用下，无论是否倒角，开槽角钢肢均未出现全截面塑性，满足承载要求，同时倒角对应力集中的缓解效果也更为明显。
从上述分析可以看出，开槽深度对横担主材承载力影响显著，在满足使用要求的前提下，应尽量减小开槽深度，建议不超过主材肢宽的1/3，否则应采取补强措施。
3 结 论
1)挂线板应同时满足面内和面外承载的要求。当挂线孔端距大于2倍孔径后，挂线板面内承载力主要由局部承压控制，建议设计时孔端距不小于2倍孔径，按美国ANSI/AISC 360-05的相关计算式进行面内承载力计算。
2)挂线板面外承载力通常低于面内承载力，成为挂线板设计的控制因素。面外承载力建议按三边固结、一边自由的双向板进行计算，设计时应控制加劲边与自由边长度的比值，保证加劲肋刚度。由于挂线板实际受力时需同时承受面内外荷载的作用，建议设计厚度应适当留有裕度。
3)转角塔角钢横担主材应尽量减小开槽深度，建议不超过主材肢宽的1/3。同时应对开槽处进行倒角处理，一方面缓解应力集中，另一方面减少加工缺陷，避免在开槽根部形成微裂缝，以保证横担的安全承载。
