风冰联合荷载作用下采用防冰导线输电塔的承载能力

《Cold Regions Science and Technology》：Bearing capacity of transmission towers with anti-icing conductor under combined ice-wind loads

　　• 提出了一种基于最大应力比和极限状态的方法来评估塔架承载力的提升效果。• 非对称方案表现出风向依赖性，部分方案的结构响应不如基准方案有利。• 对称方案在不同风向下的响应相似，并降低了塔顶位移和最大应力比。• 对称方案使临界覆冰厚度增加7.081%–25.778%，临界风速增加3.217%–7.930%。**引言**输电线路覆冰严重威胁着电力系统的安全运行，并极易引发塔架倒塌等重大事故。例如，2008年中国南方地区大范围冰灾导致大量输电塔倒塌（Bozhi，2008）；同样，2019年北美曼尼托巴省的极端湿雪天气造成数百英里的线路损毁。研究表明，大约70%的输电线路故障是由极端气象条件下结构超载引起的（Kudzys，2006）。运行多年的输电塔架的承载能力通常因老化而下降。在重冰、强风环境下，急剧增加的冰风组合荷载容易导致关键构件应力过大和稳定性退化，最终引发覆冰导致的塔架倒塌。因此，提升传统线路的承载能力是保障电网运行安全的最优选择。为增强输电塔架的承载能力，传统方法主要聚焦于塔架构件本身，通常包括增大角钢的截面面积或增加补充构件（Ananthi 等，2021；Liu 等，2025；Liu 等，2024；Sirqueira 等，2020）。例如，Liu 等（2024）提出了一种使用夹具加固主支撑腿的技术；Xie 和 Sun（2012）通过增加隔板系统有效抑制了构件的扭转变形；Zeng 等（2025）提出了一种外贴加固方案以提升塔架的抗风性能。然而，直接对原构件钻孔和加固等物理改造不仅可能对原有结构造成二次损伤（Sirqueira 等，2020），还容易引起局部刚度的突变和应力重分布，从而引发新的不利失效模式。与传统的塔端加固不同，使用防冰导线更换单相或多相现有线路的导线（Li 等，2023）是一种新颖的主动荷载缓解策略。通过降低导线侧的荷载效应，该方法直接减小了传递到塔架结构的冰风荷载，成功避免了改变原塔架结构带来的不利影响。然而，该防冰导线更换策略对原塔架在极端条件下承载力的提升效果尚未进行定量评估。为评估输电塔在极端冰风灾害下的结构性能，以往研究主要采用了基于可靠性的方法、非线性极限分析和易损性评估方法。Albermani 和 Kitipornchai（2003）以及 Albermani 等（2009）早期提出了一种基于薄壁压杆单元的非线性分析技术，可有效预测格构式输电塔在极限荷载下的整体屈曲和倒塌行为。随着可靠性理论的发展，De Souza 等（2021）和 Fadel Miguel 等（2023）探讨了模型不确定性和多重灾害叠加对塔架可靠性的影响，发现老化塔在极端条件下的失效概率远高于设计预期。聚焦于冰风灾害耦合机制，Zhu 等（2024）评估了风向效应对塔架倒塌概率的影响；Dikshit 和 Alipour（2022）通过模拟分析表明，与单一风荷载相比，风和冰的耦合作用使系统失效概率增加约31%。此外，机器学习算法也逐渐应用于复杂线路的易损性分析（Mou 等，2020；Rocchetta 等，2019）。然而，基于可靠性的评估方法主要用于评估和预测随机环境荷载下的结构失效风险，而本研究聚焦于在不同更换方案下，同一极端冰风条件下对塔架承载性能的提升效果进行对比。因此，本研究采用基于塔架构件极限状态的评价体系，以量化防冰导线更换策略对塔架承载力的提升效果。综上所述，针对贵州某典型重冰区张力段内的一座220 kV直线塔，本研究建立了冰风组合荷载下的有限元模型。考虑到实际电网运维中仅更换故障相的局部维护做法，本研究系统对比了七种不同配置下单相、两相和全相更换方案对输电塔架荷载传递特性和极限承载性能的提升效果，并特别关注非对称更换的效果。此外，本研究建立了基于极限状态（ULS）的评价体系，定量分析了不同更换方案对输入荷载、构件应力比、临界覆冰厚度和临界风速的影响。本研究旨在为输电线路的改造和安全运行提供理论依据和工程参考。**分节摘要**### 防冰导线的概念与更换方案近年来，受捕虫草启发的浸油多孔表面（SLIPS）已被哈佛大学和大连理工大学等众多高校和机构证明具有良好的防冰性能（Kim 等，2012；Yue 等，2020）。与传统疏水表面在湿度高时易失效不同，SLIPS 通过将低表面能润滑剂注入纳米树枝状多孔结构，形成稳定的动态斥力层。### 有限元建模与荷载计算方法由于防冰导线尚未安装在运行线路上，本研究采用 COMSOL Multiphysics 建立了输电塔的有限元模型。### 输电塔与架空线路的基本参数本研究以中国贵州某220 kV线路典型张力段内的杯型直线塔B为例。之所以选择直线塔，是因为本研究关注更换配置对冰风组合荷载下塔架荷载重新分配的影响，而耐张塔涉及额外的不平衡张力效应，超出了本分析的范围。所选区段在整个线路中海拔最高。### 结果与讨论基于第4节的模拟结果，为评估不同防冰导线更换方案的结构响应，本节按照从防冰导线的荷载缓解效果到塔架结构响应，最终到极限状态边界的逻辑顺序进行分析。首先，通过结合临界压缩应力和相应的应力比，建立基于极限状态（ULS）的评价框架。### 结论以贵州某典型220 kV输电线路塔架为研究对象，本研究建立了冰风组合荷载下的有限元模型，并对比分析了不同防冰导线更换方案下的输入荷载、塔顶位移、构件应力响应以及塔架的极限状态。采用最大应力比来识别控制构件并确定极限状态，以及临界覆冰厚度。### CRediT作者贡献声明**肖玉智：** 撰写 – 原稿，软件，方法学，调查，形式化分析，概念构思。**李立诚：** 验证，软件。**杨林：** 撰写 – 审阅与编辑，指导，资源，方法学，资金获取，概念构思。**吴万宣：** 调查，数据整理。**华杨：** 可视化，调查。**舒云：** 验证，调查。**钟瑶：** 指导，资源。**何江：** 指导，资源。**马宇堂：** 指导，资源。### 未引用参考文献Cornell 等，2002中华人民共和国住房和城乡建设部，2010Panteli 等，2015### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的相互竞争的经济利益或个人关系。### 致谢本工作由**智能电网国家科技重大专项**（项目编号：2024ZD0803100）资助。肖玉智｜李立诚｜杨林｜吴万宣｜华杨｜舒云｜钟瑶｜何江｜马宇堂