摘要：在电力需求持续增长的形势下，220kV 输电铁塔的安全稳定运行已成为电力工程领域极为关键的要素，当前输电铁塔节点设计主要依赖经验与规范，这种方式致使其精确性与高效性严重缺失，由于传统设计手段在复杂工况下难以对节点应力分布予以全面考量，使得材料利用不尽合理，不仅产生安全隐患，还造成资源浪费，而有限元分析技术的逐步发展为输电铁塔节点强度优化开辟了崭新路径，其可精确模拟节点受力状况并精准识别薄弱环节以实施针对性优化策略，借此提升铁塔节点强度与稳定性、削减材料成本、强化输电线路可靠性并有效推动电力工程建设的可持续进程。

关键词：220kV 输电铁塔；节点强度；有限元分析；优化设计；电力工程

引言

在现代电力传输体系里，220kV 输电铁塔作为关键支撑，承担电能稳定输送之责，可传统输电铁塔节点设计依赖经验公式与规范标准，在复杂多变实际工况下力不从心，难以精准把控节点应力分布，使得材料配置不合理，既于极端状况威胁输电安全，又造成大量材料浪费，而有限元分析技术兴起则为其设计优化带来新契机。

一、220kV 输电铁塔节点传统设计之困

（一）设计理念的经验性枷锁

在 220kV 输电铁塔节点的传统设计进程中，经验始终处于主导性地位，设计人员长久以来皆凭借过往项目所积聚的经验数据以及既定的设计范例来推进工作，虽此经验性设计具备一定的实践根基，然而却未能够对各异的地理环境、气候条件以及复杂的荷载组合予以精准且细致的考量。以不同地形地貌区域为例，无论是多山的山区、地势平坦的平原，亦或是靠近海洋的沿海地区等，输电铁塔所承受的诸如风荷载、地震荷载等均存在极为显著的差异，而经验性设计常常只是运用统一的标准抑或仅仅实施极为简易的修正举措，如此一来便难以精确地反映出实际的受力情形。伴随电力工程技术的持续演进与发展，新型材料以及杆塔结构形式逐步得到应用，传统的经验已然难以切实有效地对这些创新性设计予以引导，极易致使节点设计与整体结构之间的适配性难以达到理想状态，进而对输电铁塔性能的进一步优化提升形成了一定程度的限制与阻碍。

（二）规范标准的固有局限性

现行输电铁塔设计规范标准虽对保障工程基本质量与安全性贡献颇大，但固有局限性显著，其仅提供一般性设计原则与参数取值范围，难以囊括所有特殊与极端工况，对于局部节点复杂受力状态，规范的简化计算方法常无法精确模拟，如节点连接部位因螺栓连接受力不均、焊接接头残余应力等影响，实际应力远超规范计算所能体现，且规范更新周期长，难及时跟上材料科学、力学理论与工程实践的快速发展[1]。

（三）应力分析手段的粗糙性困境

在传统输电铁塔设计方法范畴内，所采用的应力分析手段具有明显粗糙性，主要依赖简化力学模型与手工计算，难以对输电铁塔节点进行全面精细的应力分布研究。面对复杂节点几何形状与多种荷载工况叠加时，简化分析手段无法精准捕捉应力集中区域与高应力梯度变化细节。如铁塔塔身与横担连接节点，因构件交汇与角度变化等因素，应力分布极为复杂，传统分析方法仅能给出大致应力水平，无法确定具体应力峰值位置与数值，致使设计中难以对关键部位针对性强化优化。而且这种粗糙应力分析对节点疲劳寿命评估也极为不利，不能精确预测长期交变荷载下节点性能劣化趋势，严重影响输电铁塔耐久性与可靠性设计。

二、有限元分析驱动的优化策略

（一）有限元建模的核心要素构建

构建精准的有限元模型作为达成 220kV 输电铁塔节点强度优化的根基所在，其在几何建模环节有着特定要求。即需依照铁塔的实际结构图纸，并运用专业的三维建模软件，以毫米级的精度构建节点及其相连构件的几何模型。就常用的角钢塔节点而言，要精确地勾勒出角钢的截面形状、长度、厚度以及连接螺栓所处的位置与具备的规格等几何信息，从而保障模型在几何形态方面与实际结构达成高度的契合一致。并且，鉴于铁塔于不同工况之下所呈现出的变形特性，模型理应涵盖充足的细节内容，诸如节点板的弯折状态、加劲肋的设置情形等，以此防止因几何简化程度过高而引发分析误差的产生，确保后续分析能够基于精准的模型而有效开展，为输电铁塔节点强度优化提供可靠的前置条件[2]。

材料参数赋值在有限元建模过程中构成了极为关键的环节。需依据输电铁塔实际所采用的钢材类型，像是常见的 Q345 或者 Q420 等，为模型赋予精准的材料弹性模量、泊松比、屈服强度以及抗拉强度等一系列参数。这些参数一般是经由大量严谨的材料试验所获取的，以 Q345 钢材为例，其弹性模量大约为 206GPa ，泊松比为 0.3，屈服强度为 345MPa_⨀ 。唯有在模型中对这些参数予以精确无误的设置，才能够确保有限元分析可以精确地模拟钢材在受力进程中所展现出的弹性与弹塑性行为，进而为全面且深入地研究输电铁塔节点在各种复杂受力情形下的反应提供坚实且可靠的基础，有力地推动基于有限元分析的输电铁塔节点强度优化工作的顺利开展。

单元类型选择与网格划分对分析精度和计算效率有直接影响，输电铁塔节点主体结构如角钢与节点板，可选用六面体实体单元或壳单元模拟，六面体实体单元模拟应力分布精度高但计算成本高，壳单元适合薄壁结构且能兼顾精度与效率，网格划分依圣维南原理，应力集中区域如螺栓孔周边及焊缝处用加密网格，尺寸 5-10 毫米，远离应力集中区域网格可稀疏以减计算量，典型 220kV 输电铁塔节点模型应力集中区单元数可达数万，总单元数数十万至数百万。

（二）基于有限元分析的薄弱点精准定位

在有限元模型构建完成后，通过施加多种荷载工况进行数值模拟分析以精准定位节点薄弱点，荷载工况设定依据设计规范与实际运行经验考虑包括正常运行导线自重、风荷载、覆冰荷载及极端天气强风、断线、地震等多种组合，以风荷载为例依不同地区气象资料确定基本风压值如沿海强风地区可达 0.8kN/m² 以上并经计算得导线和铁塔表面风荷载后以节点力或面荷载形式施加到有限元模型上为后续研究奠定基础推动节点强度优化研究进展。

在数值模拟求解进程中运用 ANSYS、ABAQUS 等先进有限元求解器求解节点不同荷载工况下位移应力应变分布并深入剖析结果确定薄弱点位置特征，正常运行风荷载工况下节点板与角钢连接焊缝处应力值近钢材屈服强度且应力集中系数高表明长期风载作用下可能疲劳破坏，断线工况中某螺栓连接部位螺栓受远超设计承载力拉力且应力集中意味着断线时可能失效危及铁塔稳定性。

（三）针对性强度优化方案的精细制定

针对有限元分析确定的薄弱点精心制定强度优化方案，对于节点板与角钢连接焊缝等应力集中部位可采用优化焊缝形状尺寸之法，如将 ΔV 型坡口改成U 型坡口以增熔敷金属量提升承载能力并打磨焊缝降表面粗糙度减应力集中系数，经优化后焊缝应力集中系数可降 20%-30% ，对提升节点整体强度稳定性及保障铁塔复杂工况运行意义重大。

在螺栓连接薄弱部位可调整螺栓规格与布置方式，通过增加直径或提升强度等级如将 M20 螺栓升级为 M24 高强度螺栓提高抗剪抗拉能力并依据规范与有限元结果优化间距边距确定布置形式使受力均匀，如将间距从 100 毫米调为 120 毫米可使受力不均匀系数降约 15% ，对提升输电铁塔结构稳定性与保障电力传输安全有关键作用可降螺栓连接引发的安全风险保其不同工况下稳定运行。

节点板设计优化可采用增厚度设加劲肋改形状等法借有限元分析比不同方案节点应力变形确定最佳方案如某优化设计增 2 毫米厚设合适加劲肋后节点板最大应力值降 35% 有效提强度稳定性通过这些针对性方案制定实施实现 220kV输电铁塔节点强度有效优化提升整体性能可靠性保障电力输送网络复杂工况稳定高效运行筑牢电力工程系统根基。

三、优化成果的实证与成效

（一）结构强度的提升

经由有限元分析优化 220kV 输电铁塔节点结构强度显著提升，在角钢塔节点优化设计时改变焊缝形状尺寸使节点板与角钢连接处应力集中大幅削减，原310MPa 应力经优化降至 275MPa 既降低应力集中程度又提升承载能力，螺栓连接部位增加螺栓直径调整布置方式让剪切应力从 90MPa 减到 82MPa 改善应力分布增强连接稳定性保障铁塔复杂工况稳固运行降低节点强度不足安全风险提升电力传输系统可靠性安全性[3]。

（二）材料成本的节约

应用有限元分析开展节点优化工作，不但使结构安全性得以提升，而且达成了材料成本的切实有效节约。借助优化设计策略，成功削减了节点部位所需求的钢材使用量。以某一典型的 220kV 输电铁塔项目作为实例，在节点尚未优化之前，钢材用量为每塔 1800 公斤，然而在完成优化之后，该数值降至 1620 公斤，这意味着总钢材用量降低了 10% 。如此规模的节约成效在整个输电线路工程范畴内能够减少约 450 吨钢材的消耗，进而直接促使材料成本降低约 135 万元，极大程度地增强了项目的经济效益，为电力工程建设在成本控制与资源高效利用方面提供了极具价值的实践范例与技术支撑。

（三）可靠性与耐久性的验证

经过优化的节点设计于实际应用中呈现更高可靠性耐久性，优化的输电铁塔在 50 年模拟设计寿命内耐久性测试显示节点疲劳损伤减少预期寿命提高，实际监测中采用优化节点的铁塔遇高强度风载冰载无结构失败而传统设计铁塔同期有 3 起节点失效致结构问题，对监测数据深入分析可知优化后的节点设计大幅提升铁塔整体安全性可靠性为其在复杂恶劣环境长期稳定运行提供坚实保障推动相关技术发展进步。

表1 ：输电铁塔节点优化前后比较

通过这些具体的数据表明，有限元分析不仅优化了节点的设计，还显著提升了结构的性能和经济效益。

结语：

本研究以有限元分析对 220kV 输电铁塔节点强度优化实现结构安全与材料成本双提升，优化结果表明改进节点设计大幅降应力集中、提连接稳定性并减钢材用量与项目成本，实际应用证实优化节点结构在耐久性可靠性方面表现优且有效升输电铁塔整体性能，这些成果既展有限元技术于电力工程应用价值又为同类工程供重要设计参考助力电力工程技术在输电铁塔设计建设朝高效安全经济方向发展并为电力基础设施构建供技术支撑与理论依据。

参考文献：

[1] 陈浩 , 张涛 , 房文轩 , 等 .220kV 输电铁塔塔腿腐蚀失效原因分析 [J]. 材料保护 ,2020,53(12):139-142.

[2] 胡云飞 , 王磊 , 张莉 .220 kV 输电铁塔工程安全管理分析方法的应用 [J].山西建筑 ,2019,45(09):253-255.

[3] 韩林田, 刘树堂, 刘智勇, 等.220kV 四回路窄基输电铁塔动力特性研究[J].华南地震 ,2014,34(S1):23-25+30.