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摘 要：分析输电线路地线支架的极限承载能力，明确地线覆冰的临界厚度，对输电线路运行单位防冰除冰工作具有重要的意义。本文以某500kV输电线路中JZ11直线塔受损地线支架为研究对象，基于有限元分析软件ANSYS，建立地线支架、中横担、边横担以及上曲臂四部分模型。对最大设计覆冰荷载以及风荷载作用下地线支架模型进行屈曲分析，得出覆冰荷载以及风荷载共同作用下地线支架的临界屈曲荷载为40000N，进而算出地线临界覆冰厚度约为28mm，为输电线路运行单位防冰除冰工作提供依据。
关键词：地线支架；覆冰；屈曲分析；临界覆冰厚度； ANSYS
引言
自08年以来，某500kV输电线路中 JZ11直线塔多次发生因覆冰严重导致地线支架受损的情况，严重影响了输电线路的正常运行。因此，分析地线支架的极限承载能力，明确其临界覆冰厚度，以便与线路运行单位及时采取融冰除冰措施，具有重大的工程价值。国内外一些学者和工程师对导线覆冰倒塔方面的分析比较多，专门针对地线覆冰方面的研究尚缺乏。如刘純等[1]对复沙500kV输电线路拉线门型塔应用有限元单元对该塔不同荷载工况下进行了屈曲分析，并提出了改造方案。李雪等[2]建立输电塔-线体系，应用有限元单元进行非线性屈曲分析，计算出覆冰荷载以及风荷载共同作用下铁塔结构的极限承载能力，分析倒塔原因。
本文根据JZ11直线塔地线支架受损垮塌事故调查结果，利用ANSYS软件建立地线支架、中横担、边横担及上曲臂四部分ANSYS模型，在最大设计覆冰荷载和风荷载共同作用下，对地线支架进行屈曲分析，分析得出地线支架的临界屈曲荷载值，进而算出地线临界覆冰厚度，为线路运行单位防冰除冰工作提供参考。
1结构屈曲分析
屈曲分析是一种用于确定结构的屈曲荷载和屈曲模态的技术，其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[3]。ANSYS提供了两种分析结果屈曲的方法：非线性屈曲分析和特征值屈曲分析。
（1）特征值屈曲分析
特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度， 是经典的欧拉屈曲分析，它无需进行复杂的非线性分析，即可获得结构的荷载系数，则屈曲荷载即为该荷载系数乘以所施加的荷载。特征值方程为：
（1）
式中， ?为第i阶特征值； 为特征向量； 为结构的小位移（即弹性）刚度矩阵； 为参考初应力矩阵。
（2）非线性屈曲分析
对于输电铁塔结构在分析结构极限承载能力时，应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，选取荷载收敛准则作为收敛与否的判据，即：
（2）
式中， 为节点不平衡力向量； 为参考荷载向量； 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。
2工程概况
某500kV输电线路穿越山区，空气湿度高、海拔高、线路高差大，这些恶劣的自然条件加重了线路和杆塔的覆冰情况。当时该条线路设计覆冰厚度为15mm，自08年以来，多次发生覆冰事故，覆冰厚度达到30mm。 JZ11直线塔多次因覆冰超载导致地线支架受损垮塌的事故。JZ11直线塔塔高32m，导线为4×LGJ-400/35，地线为GJ-100，绝缘子型号为FXBW4-500/300，水平档距Lh=600m，垂直档距Lv=800m。
3地线支架结构屈曲分析
3.1有限元模型建立
根据现场调研发现，该JZ11直线塔只是地线支架受损，其他部分完好。因此，本文ANSYS建模只建立该铁塔地线支架、中横担、边横担以及上曲臂四部分进行仿真分析。考虑到输电铁塔在实际运行中各杆件均需承担不同的剪力和弯矩，且结构具有较强的几何非线性，故输电各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元建模[4]。铁塔主材采用Q345角钢，辅材采用Q235角钢，各杆件单元节点搭接成一个整体。ANSYS模型单元划分的密度理论上越高越好，但是根据铁塔的制造规范，确定单元边缘长度为100mm
3.2加载与求解
本文加载JZ11直线塔在最大设计覆冰厚度，有相应风速、未断线工况（设计覆冰厚度b=15mm，风速v=10m/s）下荷载。根据概率极限状态设计法原理，用荷载的设计值来校核地线支架的强度[5-6]，由式（3）、（4）得地线垂直荷载为21376 N， 地线风压荷载为2339 N。因塔身部分完好无损，对地线支架有支撑和固定作用。因此，对上曲臂的四个脚点处的节点进行约束，包括X、Y、Z和其自由度都设为0。
4结论
（1）JZ11直线塔地线支架的极限荷载为4000N，极限覆冰厚度为28mm，地线支架因覆冰超载而垮塌，建议线路覆冰达到25mm时及时采取除冰措施。
（2）对杆塔钢结构进行非线性屈曲分析所得极限荷载值比特征值屈曲分析结果值更小，结果更精确，建议杆塔钢结构屈曲分析采用非线性屈曲分析。
参考文献
[1]刘纯，姜勇，陈红冬等.复沙500KV输电线路Ⅱ回拉线门型塔屈曲分析[J].中国电力，2007.6， 40（6）：45-47.
[2]李雪，李宏男，黄连壮.高压输电线路覆冰倒塌非线性屈曲分析[J].振动与冲击，2009.5， 28（5）：111-115.
[3]孟祥龙， 鲜海波， 曾峰，等.轴力作用下钻柱稳定性分析[J]. 中国科技论文在线， 2010， 5（11）： 868-870.
[4]尚晓江，邱峰，赵海峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].中国水利水电出版社，2005.
[5]陈祥和.输电杆塔及基础设计[M].中国电力出版社，2008.
[6]孟遂民，孔伟.架空输电线路设计[M]. 中国电力出版社，2007.
作者简介
金小梦（1987-），男，本科，主要从事输电线路运行维护。
叶祖科（1989-），男，本科，主要从事输电线路运行维护。
石习双（1989-），男，本科，主要从事输电线路运行维护。
关键词：地线支架；覆冰；屈曲分析；临界覆冰厚度； ANSYS
引言
自08年以来，某500kV输电线路中 JZ11直线塔多次发生因覆冰严重导致地线支架受损的情况，严重影响了输电线路的正常运行。因此，分析地线支架的极限承载能力，明确其临界覆冰厚度，以便与线路运行单位及时采取融冰除冰措施，具有重大的工程价值。国内外一些学者和工程师对导线覆冰倒塔方面的分析比较多，专门针对地线覆冰方面的研究尚缺乏。如刘純等[1]对复沙500kV输电线路拉线门型塔应用有限元单元对该塔不同荷载工况下进行了屈曲分析，并提出了改造方案。李雪等[2]建立输电塔-线体系，应用有限元单元进行非线性屈曲分析，计算出覆冰荷载以及风荷载共同作用下铁塔结构的极限承载能力，分析倒塔原因。
本文根据JZ11直线塔地线支架受损垮塌事故调查结果，利用ANSYS软件建立地线支架、中横担、边横担及上曲臂四部分ANSYS模型，在最大设计覆冰荷载和风荷载共同作用下，对地线支架进行屈曲分析，分析得出地线支架的临界屈曲荷载值，进而算出地线临界覆冰厚度，为线路运行单位防冰除冰工作提供参考。
1结构屈曲分析
屈曲分析是一种用于确定结构的屈曲荷载和屈曲模态的技术，其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[3]。ANSYS提供了两种分析结果屈曲的方法：非线性屈曲分析和特征值屈曲分析。
（1）特征值屈曲分析
特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度， 是经典的欧拉屈曲分析，它无需进行复杂的非线性分析，即可获得结构的荷载系数，则屈曲荷载即为该荷载系数乘以所施加的荷载。特征值方程为：
（1）
式中， ?为第i阶特征值； 为特征向量； 为结构的小位移（即弹性）刚度矩阵； 为参考初应力矩阵。
（2）非线性屈曲分析
对于输电铁塔结构在分析结构极限承载能力时，应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，选取荷载收敛准则作为收敛与否的判据，即：
（2）
式中， 为节点不平衡力向量； 为参考荷载向量； 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。
2工程概况
某500kV输电线路穿越山区，空气湿度高、海拔高、线路高差大，这些恶劣的自然条件加重了线路和杆塔的覆冰情况。当时该条线路设计覆冰厚度为15mm，自08年以来，多次发生覆冰事故，覆冰厚度达到30mm。 JZ11直线塔多次因覆冰超载导致地线支架受损垮塌的事故。JZ11直线塔塔高32m，导线为4×LGJ-400/35，地线为GJ-100，绝缘子型号为FXBW4-500/300，水平档距Lh=600m，垂直档距Lv=800m。
3地线支架结构屈曲分析
3.1有限元模型建立
根据现场调研发现，该JZ11直线塔只是地线支架受损，其他部分完好。因此，本文ANSYS建模只建立该铁塔地线支架、中横担、边横担以及上曲臂四部分进行仿真分析。考虑到输电铁塔在实际运行中各杆件均需承担不同的剪力和弯矩，且结构具有较强的几何非线性，故输电各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元建模[4]。铁塔主材采用Q345角钢，辅材采用Q235角钢，各杆件单元节点搭接成一个整体。ANSYS模型单元划分的密度理论上越高越好，但是根据铁塔的制造规范，确定单元边缘长度为100mm
3.2加载与求解
本文加载JZ11直线塔在最大设计覆冰厚度，有相应风速、未断线工况（设计覆冰厚度b=15mm，风速v=10m/s）下荷载。根据概率极限状态设计法原理，用荷载的设计值来校核地线支架的强度[5-6]，由式（3）、（4）得地线垂直荷载为21376 N， 地线风压荷载为2339 N。因塔身部分完好无损，对地线支架有支撑和固定作用。因此，对上曲臂的四个脚点处的节点进行约束，包括X、Y、Z和其自由度都设为0。
4结论
（1）JZ11直线塔地线支架的极限荷载为4000N，极限覆冰厚度为28mm，地线支架因覆冰超载而垮塌，建议线路覆冰达到25mm时及时采取除冰措施。
（2）对杆塔钢结构进行非线性屈曲分析所得极限荷载值比特征值屈曲分析结果值更小，结果更精确，建议杆塔钢结构屈曲分析采用非线性屈曲分析。
参考文献
[1]刘纯，姜勇，陈红冬等.复沙500KV输电线路Ⅱ回拉线门型塔屈曲分析[J].中国电力，2007.6， 40（6）：45-47.
[2]李雪，李宏男，黄连壮.高压输电线路覆冰倒塌非线性屈曲分析[J].振动与冲击，2009.5， 28（5）：111-115.
[3]孟祥龙， 鲜海波， 曾峰，等.轴力作用下钻柱稳定性分析[J]. 中国科技论文在线， 2010， 5（11）： 868-870.
[4]尚晓江，邱峰，赵海峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].中国水利水电出版社，2005.
[5]陈祥和.输电杆塔及基础设计[M].中国电力出版社，2008.
[6]孟遂民，孔伟.架空输电线路设计[M]. 中国电力出版社，2007.
作者简介
金小梦（1987-），男，本科，主要从事输电线路运行维护。
叶祖科（1989-），男，本科，主要从事输电线路运行维护。
石习双（1989-），男，本科，主要从事输电线路运行维护。