1000kV大跨越直線鋼管塔次彎矩分析

徐明鳴，李春，陳浩

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙410007)

近年隨著特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，鋼管塔已開始普遍應(yīng)用于輸電線路中。它具有空氣動(dòng)力學(xué)性能好，構(gòu)件截面抗彎剛度大，受壓穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)超載性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能充分發(fā)揮材料的承載性能，具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性〔1〕。

1 000kV 大跨越直線塔采用鋼管構(gòu)件，因其構(gòu)件規(guī)格大、主材法蘭連接、節(jié)點(diǎn)板較厚及連接螺栓多等特點(diǎn)使得全塔構(gòu)件焊接的連續(xù)性、構(gòu)件接頭及節(jié)點(diǎn)板剛性都強(qiáng)于常規(guī)鐵塔，桿件端部受到很大的嵌固作用，限制桿件間夾角的變化，造成桿件彎曲，由此產(chǎn)生的桿彎矩具有二階效應(yīng)，稱為次彎矩。但鐵塔理論計(jì)算模型為鉸接空間桁架結(jié)構(gòu)，即假設(shè)節(jié)點(diǎn)約束為鉸接，桿件只承受軸力不承受彎矩，忽略桿端彎矩的作用。整個(gè)鐵塔作為超靜定空間體系，根據(jù)靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)關(guān)系來求解桿件的內(nèi)力，同時(shí)依據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性條件完成鐵塔設(shè)計(jì)的選材工作。文中以大跨越直線鋼管塔為研究對(duì)象，采用SAP2000 有限元分析計(jì)算模型，分析桿端次彎矩對(duì)構(gòu)件承載力的影響。

1 鋼管塔分析模型

鋼管塔的主材兩端通過法蘭連接，其承受軸向力外還可以承受剪切力及彎矩。而塔身斜材剛度較小，兩端固定螺栓較少，其連接方式更便傾向于桿件鉸接。為更符合鋼管塔的實(shí)際受力情況，文中采用空間梁桿混合的分析模型〔2〕?？臻g梁桿混合模型是將鐵塔主材和橫隔材視為梁?jiǎn)卧?，斜材視為桁架桿單元，在建模時(shí)，對(duì)整塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，以塔各構(gòu)件中心軸線相交點(diǎn)作為模型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間桿件形成模型的單元。在有限元計(jì)算時(shí)梁?jiǎn)卧鳛檎芰暗挚棺冃蔚墓羌?，桿單元?jiǎng)t起到分配傳力及協(xié)調(diào)變形的作用，同時(shí)約束鐵塔4 個(gè)腳點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下3 個(gè)方向的位移自由度。

2 工程實(shí)例計(jì)算

2.1 大跨越直線鋼管塔

文中以某1 000 kV 交流特高壓工程大跨越直線鋼管塔為例。該塔設(shè)計(jì)條件為:塔高202.5 m，根開39.12 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速為32 m/s，鐵塔構(gòu)件布置如圖1。全塔采用鋼管構(gòu)件，主材采用Q345B 材質(zhì)，桿端用高頸法蘭連接。斜材采用Q235B 及Q345B材質(zhì)，桿端用插板連接，主斜材節(jié)點(diǎn)處通過加焊環(huán)向加勁板保證受力剛度。綜合考慮鋼管塔施工及運(yùn)行過程，選取60°大風(fēng)(正常工況)、斷左上、左中導(dǎo)線(事故工況)及吊裝左上導(dǎo)線(安裝工況)為計(jì)算荷載，如圖2。

圖1 大跨越直線塔單線圖

圖2 有限元加載圖

2.2 構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算理論

考慮次彎矩因素，鋼管塔主材的實(shí)際受力為拉彎或壓彎，計(jì)算時(shí)需要同時(shí)考慮軸力和彎矩對(duì)桿件受力的影響〔3－5〕，受力模式如圖3。依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范文獻(xiàn)〔4〕中相應(yīng)公式考慮次彎矩對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的影響程度。

圖3 構(gòu)件受力模式

文中取My為構(gòu)件單元繞局部坐標(biāo)系y 方向I，J 兩端彎矩的較大值;Mz為構(gòu)件單元繞局部坐標(biāo)系z(mì) 方向I，J 兩端彎矩的較大值。

拉彎或者壓彎主材的強(qiáng)度計(jì)算:

式中 N 為主材所受軸心壓力;A 為圓管截面積;γy，γz為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)，對(duì)于圓管截面γy，γz取值均為1.15;My，Mz為同一截面處繞y 軸和繞z 軸的彎矩;Wny，Wnz為對(duì)y 軸和繞z 軸的凈截面模量。

壓彎主材的穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算:

式中 NEx' = π2EA/(1.1λ)，為常量;φ 為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù);M 為所計(jì)算主材段范圍內(nèi)的最大彎矩;W 為在彎矩作用平面內(nèi)對(duì)較大受壓纖維的毛截面模量;β 為等效彎矩系數(shù)，β = 0.65 + 0.35(M1/M2)，M1和M2為端彎矩，使構(gòu)件產(chǎn)生同向曲率時(shí)此比值同號(hào)，使構(gòu)件產(chǎn)生反向曲率時(shí)，此比值為異號(hào)，

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，選取主材控制工況60°大風(fēng)狀態(tài)下的彎矩計(jì)算值，通過對(duì)各主材鋼管構(gòu)件由軸力引起的強(qiáng)度應(yīng)力及穩(wěn)定應(yīng)力、由次彎矩引起的附加應(yīng)力進(jìn)行比較分析，有限元計(jì)算結(jié)果如圖4—5，分析對(duì)比見表1。

圖4 直線塔次彎矩分布

圖5 直線塔次彎矩大小

表1 Q345B 鋼管塔次彎矩影響

3 結(jié)論

1)大跨越直線鋼管塔節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，主材剛度較大，分析可知鐵塔存在一定的次彎矩影響。

2)從塔身次彎矩的分布情況看，次彎矩一般從上至下隨軸力的增加而增大，但塔身變坡點(diǎn)處，因節(jié)點(diǎn)構(gòu)造剛度較大，出現(xiàn)次彎矩突變現(xiàn)象，因此在大跨越直線鋼管塔設(shè)計(jì)中，該處的橫隔面材及上下交叉材需考慮次彎矩影響進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3)桿件截面的大小應(yīng)與內(nèi)力的大小相協(xié)調(diào)，當(dāng)桿件比較柔細(xì)時(shí)，對(duì)其變形的約束較小，內(nèi)力可以通過變形釋放，端部次彎矩比較小;反之當(dāng)桿件較粗短時(shí)，則產(chǎn)生的彎矩?cái)?shù)值較大，因此對(duì)于大跨越直線鋼管塔主材構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比不宜過小。

4)大跨越直線塔主材次彎矩應(yīng)力對(duì)桿件承載力的影響約8%～20%，在桿塔設(shè)計(jì)中須進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度復(fù)核并適當(dāng)考慮安全裕度。

〔1〕劉振亞． 特高壓電網(wǎng)〔M〕． 北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2005:1-10．

〔2〕楊靖波，韓軍科，李茂華，等． 特高壓輸電線路鋼管塔計(jì)算模型的選擇〔J〕． 電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(1):1-5．

〔3〕應(yīng)建國(guó)，王媛，郭勇． 鋼管塔的次彎矩和局部穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)建議〔J〕． 特種結(jié)構(gòu)，2010，27(5):39-41．

〔4〕GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕． 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社． 2003．

〔5〕郭健，孫炳楠，葉尹． 高聳鋼管塔的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析〔J〕． 鋼結(jié)構(gòu)，2002，17(62):63-65．