电线杆(塔架)在冻冰荷载作用下破坏机理的定性分析

1、电线杆（塔架）在冻冰荷载作用下破坏机理的定性分析兰州交通大学土木工程学院 赵宪锋摘要：对冻冰荷载作用下的电线杆建立了简单的力学模型，并采用结构力学求解器进行了内力分析，定性讨论了电线杆的破坏机理。一、背景2008年我国南方发生了历史罕见的雨雪灾害，这场灾害具有以下几个特点：降雪量大；雪花通过暖层后融化成雨滴，进入靠近地面的冷气层时，雨滴便迅速冷却成冰，形成冻雨；地面上的物体表面结冰现象突出，引起冻害。尤为严重的是雨雪对南方的电力系统产生了极大的破坏作用，导致电力、交通严重受损。电线杆、高压塔架因超重覆冰倒塌现象频繁发生，因此有必要对这些结构倒塌的力学机理进行分析。（b）（a）图1 （a）严重覆

2、冰的电力设施；（b）倒塌的电线杆。（图片均来自互联网）二、简化模型及分析电力系统架设的电线杆需要出现在不同场地环境上，如平地、边坡、高地等。电线常采用钢绞线，由于自重作用，在空中呈曲线形状，近似认为输电线满足抛物线方程。电线具有较大的柔度，抗拉能力强，属于塑性材料。电线杆通常为钢筋混凝土长圆柱形结构，等间距分布。设电线杆高度=50m，两电线杆间距=100m，输电线与电线杆连接处的最大倾角，输电线重量。则输电线方程中各参数的计算公式分别为： ， ， 取C30混凝土和钢筋构成的电线杆的弹性模量，电线杆直径20cm；钢绞线弹性模量，直径2cm。 考虑三个电线杆和输电线组成的两类系统：（1）三根电线杆

3、位于同一水平地面上；（2）左边的电线杆位于水平地面上，中间的高出左边的50m，右边的高出左边的20m，可以认为后两者是架设在坡面或高地上的情况。在自重作用下，两类系统的内力图如图2所示。可以看出：（1）输电线主要承担了轴力作用，其剪力和弯矩值均很小；（2）高地的电线杆承担了更多的受压轴力作用，其数值是平地上的2.5倍，但其剪力和弯矩值几乎与平地上的相等，均为零。（由于电线杆总是连续分布的，因此在分析时，我们仅考虑中间的电线杆）（a2）（a1）（b2）（b1）（c2）（c1）图2 （a1）、（b1）、（c1）分别为平地上电线杆的M图、Q图、N图；（a2）、（b2）、（c2）分别为高地上电线杆的M

4、图、Q图、N图。当电线和电线杆（塔架）被冻冰牢牢的包裹住时，冻冰一层层的将它们包裹起来，形成一种像树木年轮样的情况，积累几天，这个厚度就相当大了，电线上冰的厚度可以超过电线直径的很多倍，铁的密度是7，冰是0.9，因此相当于高出电线几倍的重量压在电线上。按照规范1，高压线高高的钢塔在下雪天时会承受23倍的重量，但如果是结冰，会承受1020倍的电线重量。因此当有冻冰发生时，电线杆上承受的压力将相应增大很多倍，导致电线杆或塔架受压失稳破坏，这是其倒塌的主要原因。由于高地上的电线杆承担了更多的轴力，因此在灾害中往往先发生倒塌事故的是坡地上或高地上的电线杆和塔架。而这些位置较为陡峭，也给电力系统的恢复带来了更大的困难。此外，由于异常的低温天气，电线的热胀冷缩已经超出设计限度，输电线紧绷在铁塔之间，其塑性性能减弱，强度大大降低，这也是电力系统瘫痪的另一个重要原因。 三、结论在冻雪灾害中，作为电力系统基础设施的电线杆和塔架，主要承担压力作用，首先发生失稳破