電線桿(塔架)在凍冰荷載作用下破壞機理的定性分析

1、電線桿（塔架）在凍冰荷載作用下破壞機理的定性分析蘭州交通大學土木工程學院 趙憲鋒摘要：對凍冰荷載作用下的電線桿建立了簡單的力學模型，并采用結構力學求解器進行了內力分析，定性討論了電線桿的破壞機理。一、背景2008年我國南方發(fā)生了歷史罕見的雨雪災害，這場災害具有以下幾個特點：降雪量大；雪花通過暖層后融化成雨滴，進入靠近地面的冷氣層時，雨滴便迅速冷卻成冰，形成凍雨；地面上的物體表面結冰現(xiàn)象突出，引起凍害。尤為嚴重的是雨雪對南方的電力系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的破壞作用，導致電力、交通嚴重受損。電線桿、高壓塔架因超重覆冰倒塌現(xiàn)象頻繁發(fā)生，因此有必要對這些結構倒塌的力學機理進行分析。（b）（a）圖1 （a）嚴重覆

2、冰的電力設施；（b）倒塌的電線桿。（圖片均來自互聯(lián)網(wǎng)）二、簡化模型及分析電力系統(tǒng)架設的電線桿需要出現(xiàn)在不同場地環(huán)境上，如平地、邊坡、高地等。電線常采用鋼絞線，由于自重作用，在空中呈曲線形狀，近似認為輸電線滿足拋物線方程。電線具有較大的柔度，抗拉能力強，屬于塑性材料。電線桿通常為鋼筋混凝土長圓柱形結構，等間距分布。設電線桿高度=50m，兩電線桿間距=100m，輸電線與電線桿連接處的最大傾角，輸電線重量。則輸電線方程中各參數(shù)的計算公式分別為： ， ， 取C30混凝土和鋼筋構成的電線桿的彈性模量，電線桿直徑20cm；鋼絞線彈性模量，直徑2cm。 考慮三個電線桿和輸電線組成的兩類系統(tǒng)：（1）三根電線桿

3、位于同一水平地面上；（2）左邊的電線桿位于水平地面上，中間的高出左邊的50m，右邊的高出左邊的20m，可以認為后兩者是架設在坡面或高地上的情況。在自重作用下，兩類系統(tǒng)的內力圖如圖2所示?？梢钥闯觯海?）輸電線主要承擔了軸力作用，其剪力和彎矩值均很??；（2）高地的電線桿承擔了更多的受壓軸力作用，其數(shù)值是平地上的0.75/0.30 = 2.5倍，但其剪力和彎矩值幾乎與平地上的相等，均為零。（由于電線桿總是連續(xù)分布的，因此在分析時，我們僅考慮中間的電線桿）（a2）（a1）（b2）（b1）（c2）（c1）圖2 （a1）、（b1）、（c1）分別為平地上電線桿的M圖、Q圖、N圖；（a2）、（b2）、（c2

4、）分別為高地上電線桿的M圖、Q圖、N圖。當電線和電線桿（塔架）被凍冰牢牢的包裹住時，凍冰一層層的將它們包裹起來，形成一種像樹木年輪樣的情況，積累幾天，這個厚度就相當大了，電線上冰的厚度可以超過電線直徑的很多倍，鐵的密度是7，冰是0.9，因此相當于高出電線幾倍的重量壓在電線上。按照規(guī)范1，高壓線高高的鋼塔在下雪天時會承受23倍的重量，但如果是結冰，會承受1020倍的電線重量。因此當有凍冰發(fā)生時，電線桿上承受的壓力將相應增大很多倍，導致電線桿或塔架受壓失穩(wěn)破壞，這是其倒塌的主要原因。由于高地上的電線桿承擔了更多的軸力，因此在災害中往往先發(fā)生倒塌事故的是坡地上或高地上的電線桿和塔架。而這些位置較為陡峭，也給電力系統(tǒng)的恢復帶來了更大的困難。此外，由于異常的低溫天氣，電線的熱脹冷縮已經(jīng)超出設計限度，輸電線緊繃在鐵塔之間，其塑性性能減弱，強度大大降低，這也是電力系統(tǒng)癱瘓的另一個重要原因。 三、結論在凍雪災害中，作為電力系統(tǒng)基礎設施的電線桿和塔架，主要承擔壓力作用，首先發(fā)生失穩(wěn)