往复荷载作用下输电铁塔杆件受力性能探究

摘 要：本研究旨在探究高海拔地区输电线路在往复荷载作用下铁塔杆件的受力性能问题。研究通过设计试件、实施试验并分析试验结果，评估输电铁塔杆件在往复荷载作用下的受力性能及其剩余承载力。研究人员以西藏地区某输电线路为研究对象，根据该线路铁塔杆件设计标准以及性能要求，设计具有代表性的试件，并在实验室环境中模拟往复荷载作用。通过测量试验中的变形情况，结合数值模拟分析，获取输电铁塔杆件在不同荷载作用下的应力分布情况。试验结果显示，在往复荷载作用下，输电铁塔杆件表现出明显的应力集中现象，即往复荷载对输电铁塔杆件的影响显著。本研究的研究成果可以为输电铁塔杆件设计与优化提供试验数据支持，并为相关标准制定提供理论依据，具有很高的实用价值。

关键词：往复荷载；铁塔杆件；受力分析

中图分类号：TM 75 " " 文献标志码：A

在高海拔地区，风速较高且变化频繁，输电铁塔杆件长期受复杂的循环荷载作用。这种恶劣的环境条件增加了输电铁塔杆件疲劳破坏的风险，对电力系统的安全稳定运行构成了严重威胁。在这种背景下，研究人员深入研究往复荷载对输电铁塔杆件的具体影响机制。通过科学分析验证，为工程设计提供重要的技术支持，保障电力系统能够安全运行。

1 工程概况

西藏地区某高海拔输电线路位于海拔超过4000m的高海拔地区，冬季寒冷且多风，夏季高原紫外线强烈，这些因素对输电线路的安全性、稳定性提出了更高的要求。研究人员调取该地区过去的监测数据，发现在冬季极端风雪环境中，输电铁塔杆件表面结冰厚度曾达到10cm以上，荷载显著增加。某些铁塔杆件在这种情况下承受超过1000N/m³的冰雪荷载，导致局部应力超过设计承受能力，杆件表面出现明显的裂纹以及变形。为优化铁塔结构设计，提高其抗循环荷载能力，研究人员在实验室环境中进行电铁塔杆件试件往复荷载试验，根据试验结果进行剩余承载力分析，为保障高海拔地区输电线路的安全运行提供帮助。

2 试件设计

在进行输电铁塔杆件受力性能试验的过程中，研究人员为了保证试验结果具有广泛的适用性，特别选择实际使用中常见的两种不同尺寸的铁塔杆件以及角钢截面作为试验的试件材料。在具体实践中，第一种试件材料为L50×4的角钢，其截面宽度为50mm，厚度为4mm；第二种试件材料为L63×5的角钢，其截面宽度为63mm，厚度为5mm。这两种角钢截面尺寸能够较好地代表实际应用中常见的铁塔杆件尺寸。

在连接方式选择方面，研究人员精心挑选了两种常见的连接方式来进行比较和分析，分别是单螺栓连接和双螺栓连接。单螺栓连接方式模拟了在简易结构中常见的连接方式，而双螺栓连接方式则考虑了更高强度以及更稳定的连接需求[1]。将这两种连接方式进行比较，研究人员希望能够评估在高海拔环境下，不同的连接方式对输电铁塔杆件受力特性的影响。

为了进一步保证试验结果的全面性和准确性，研究人员还特别设计了针对试件的长细比的3种典型条件，长细比分别为100、120、140。这3种条件涵盖了在实际应用中常见的输电铁塔杆设计需求，从较短较厚的试件到较长较细的试件，反映实际输电铁塔杆件在设计与制造中的多样性。通过这种设计，研究人员能够更全面地了解不同长细比对铁塔杆件受力性能的影响，从而为实际工程应用提供更为可靠的参考依据，试件尺寸见表1。

3 试验实施

3.1 加载过程

在本研究中，研究人员在试验台架上安装试件，保证单螺栓或双螺栓连接方式正确且固定可靠，模拟实际铁塔的装配以及连接条件（如图1所示）[2]。

研究人员采用电动液压系统能够施加往复荷载，模拟高海拔地区常见的风力和冰雪荷载条件。为了更准确地反映不同季节和环境条件下的变化负载，将每个试件的循环荷载设定在2000N～5000N。除此之外，研究人员还需要对荷载的振幅和频率进行精确设定，保证试验结果的可靠性。将振幅设定在±250N～±500N，频率则设定在0.5Hz～1Hz[2]。可以根据具体的试验设计需求调整这些参数，保证在试验过程中能够充分模拟真实的往复荷载效应。

在加载过程中，研究人员使用精密传感器和数据采集系统对每个试件进行实时监测。这些设备能够准确记录每个循环中的最大应力值、最大变形量、可能出现的裂纹位置以及裂纹的扩展情况。通过这些详细的数据记录，研究人员可以更深入地了解试件在不同荷载条件下的性能表现，从而为高海拔地区的结构设计以及材料选择提供科学依据，动液压系统施加往复荷载示例见表2。

3.2 停止条件

在本次研究中，研究人员针对每个试件，特别设定了5000～10000次的往复荷载循环。这个设定的目的是为了模拟试件在实际运行条件下的长期耐久性，从而更准确地评估其在长期使用中的表现。在试验过程中，研究人员密切监视试件的应力状态，一旦发现试件的局部应力超过了预先设定的安全限制值，就需要立即采取措施停止加载。这种做法旨在保护试件免受过载破坏，同时保证试验数据的有效性和可靠性。

此外，研究人员还通过监测试件的变形情况来评估其安全性。如果试件的变形超出了预设的安全范围，即变形量超过5%，那么研究人员同样会考虑停止加载。这个措施是为了防止试件结构发生不可逆的损坏，保证试件在试验过程中的结构完整性。为了全面评估试件在不同季节和环境条件下的荷载效应，将每个试件的试验时间设定为2周～4周。这个时间跨度足够长，可以模拟在不同环境条件下的充分荷载效应，从而为研究人员提供更为全面和准确的数据支持。

通过这种细致入微的试验设计和严格的安全措施，研究人员能够保证试验结果的准确性和保障试件的安全性，为后续的研究和应用提供坚实的基础。

4 往复荷载作用下输电铁塔杆件试验结果与分析

在试验过程中，研究人员针对两种类型杆件的破坏情况进行了跟踪记录，并拍摄了试验现场图[3]。

4.1 L50×4截面角钢

分析L50×4单连接螺栓截面角钢试件破坏现场可以发现，构件端部、跨中区域出现显著屈曲与弯扭变形。在初次循环加载初期，单螺栓连接约束弱，杆件无明显变形。随着外加载荷增加，变形逐渐显现并加剧，峰值时屈曲变形严重。当载荷降低时，跨中弯扭变形恢复快，端部恢复慢。在卸力结束后，跨中变形恢复但端部屈曲仍显著，显示不可逆破坏。多次循环加载会使变形加剧，显示累积损伤效应。构件长细比增加会导致跨中变形增加，说明长细比对变形特性有显著影响，单连接螺栓截面角钢试件破坏数据见表3。

分析L50×4双连接螺栓截面角钢试件破坏现场可以发现，试件中端部存在显著的屈曲变形现象。由于双螺栓连接角钢构件的端部受到螺栓端部的约束加强作用，因此该区域并未呈现明显的扭转迹象。在首次循环加载阶段，虽然端部螺栓出现滑移现象，但杆件本身并未显著变形。随着荷载逐步增加，端部以及构件跨中的变形逐渐加剧，直至达到峰值荷载，屈曲变形现象十分明显。当荷载开始减少时，构件跨中的屈曲变形恢复速度较快，跨中挠度迅速减少。相比之下，端部屈曲的恢复并不明显[4]。当卸力阶段结束时，跨中位置仅有轻微变形，而端部屈曲变形依然严重，表明端部变形的恢复程度比跨中低，双连接螺栓截面角钢试件破坏数据见表4。

4.2 L63×5截面角钢

分析L63×5截面角钢单连接螺栓截面角钢试件破坏现场，可以发现，单螺栓连接构件的端部约束性能较弱，端部螺栓出现滑移现象，螺栓与孔壁之间开始发生挤压作用。随着端部的扭转变形逐渐加剧，构件整体发生了扭转，使跨中的抗变形能力显著减弱，跨中变形现象明显加剧。当达到峰值荷载时，构件的端部、跨中区域均出现屈曲变形现象。在卸力阶段，角钢构件的恢复速度逐渐放缓，直至位移荷载恢复到初始位移状态。

分析L63×5截面角钢双连接螺栓截面角钢试件破坏现场，可以发现，构件跨中出现弯扭与屈曲变形现象，同时，其端部局部也存在屈曲变形的情况。尽管对螺栓端部约束进行了加强处理，有效防止了构件端部扭转情况，但跨中区域仍然出现了扭转现象。在首次循环加载过程中，构件端部跨中的变形逐渐累积并扩大。当加载至峰值荷载时，端部、跨中的屈曲变形尤为严重，呈现显著的变形特征。进入卸力阶段初期，跨中位置的屈曲变形得到了较快恢复，而端部的屈曲变形恢复程度并不显著。随着卸力阶段持续进行，角钢构件的恢复速度逐渐减缓，直至位移荷载回归至初始位移状态。当卸力阶段结束时，跨中位置虽然存在一定程度的残余变形，但与端部相比，其屈曲变形程度较轻。经过多次循环加载，双螺栓连接角钢构件的端部、跨中变形呈现逐渐增加的趋势。

5 往复荷载作用下输电铁塔杆件剩余承载力分析

5.1 杆件剩余承载力分析

在本次研究中，工作人员对每一次循环中的试件剩余承载力进行统计，汇总见表5。

分析表5可以发现，第一次循环加载时，试件T1随着循环次数增加，剩余承载力逐渐下降。在第五次循环加载后，剩余承载力降至26.27%，衰减占比为46.68%。第一次循环加载时，试件T2极限承载力为77.85%，衰减占比为100%。在第五次循环加载后，剩余承载力降至15.98%，衰减占比仅为18.04%。试件T2在多次循环加载过程中，剩余承载力衰减了81.96%，衰减程度非常严重。第一次循环加载时，试件T3极限承载力为69.83%，衰减占比为100%。在第五次循环加载后，剩余承载力降至34.15%，衰减占比为50.14%。试件T3在多次循环加载过程中，剩余承载力衰减了49.86%。第一次循环加载时，试件T4极限承载力为39.26%，衰减占比为100%。在第五次循环加载后，剩余承载力降至33.17%，衰减占比为80.46%，试件T4在多次循环加载过程中，剩余承载力衰减了19.54%。

由此可以看出，不同试件的初始极限承载力存在较大差异。试件T2的初始极限承载力最高，而试件T4的初始极限承载力最低。该结果与试件的材料、结构形式等因素有关。在多次循环加载过程中，各试件的剩余承载力均呈下降趋势。其中，试件T2的衰减程度最为严重，从第一次循环的77.85%降至第五次的15.98%。试件T4的衰减程度相对较小，但仍表现出明显的下降趋势。基于上述分析，研究人员得出结论：所有试件在多次循环加载后的剩余承载能力都明显下降，验证了试件在疲劳加载下的损伤累积效应。

5.2 刚度变化

除了剩余承载力外，刚度变化也会对输电铁塔杆件的强度产生直接影响。因此，研究人员针对试件进行了刚度试验，观察在循环荷载的影响下，杆件的刚度变化规律，见表6。

分析表6可以发现，试件T1在循环中的刚度比值波动较小，整体表现相对稳定，没有明显的趋势性变化。试件T2在第一次与第二次循环后刚度比值变化较小，但随后的循环中呈现显著降低趋势。试件T3的刚度比值变化相对较小，尤其在第二次与第三次循环中相对稳定[5]。而试件T4在循环加载过程中刚度比值急剧下降，尤其是在第四次与第五次循环中呈现明显的衰减趋势。总体来说，大多数试件在多次循环加载后，刚度比值有所减少，这与剩余承载能力的下降趋势一致，证明杆件在循环加载中发生变形。

6 结论

为保证高海拔地区输电铁塔杆件能在恶劣环境下能够稳定持续工作，研究人员通过试验，分析在往复荷载作用下，杆件的受力性能，并得出以下结论。1）无论是L50×5型号还是L63×5的单螺栓连接角构件，在往复荷载作用下，会出现整体弯扭以及端部屈曲等破坏现象。而双螺栓连接角破坏则主要表现为整体扭曲，与单螺栓连接角相比，双螺栓连接角杆件端部的承载力更强。2）每次循环后，试件的剩余承载力具有离散性特点，随着循环次数增加，试件剩余承载力逐渐降低。

参考文献

[1]伍川，杨晓辉，赵鹏飞，等.基于塔线体系的风荷载作用下输电铁塔薄弱杆件分析[J].中国工程机械学报，2022，20（6）：504-509.

[2]龙海波，余亮，张庆，等.中外规范体系下输电杆塔设计比较[J].武汉大学学报（工学版），2022，55（增刊1）：205-212.

[3]何浩林，汪大海，黄增浩，等.输电直线杆塔风灾易损性的准静态分析方法[J].中国电机工程学报，2024，44（9）：3732-3742.

[4]唐亚男，段忠东，徐枫，等.强风下导线的等效随机静风荷载概率模型[J].工程力学，2024，41（1）：124-137.

[5]杨风利，张宏杰，范荣全，等.高海拔输电线路风荷载特性及铁塔杆件内力分析[J].建筑钢结构进展，2022，24（9）：86-94.