輸電塔塔腿設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

柯嘉 王學(xué)群 高彬

摘 要：本文利用ANSYS軟件對(duì)輸電塔塔腿結(jié)構(gòu)受力性能展開(kāi)精細(xì)化研究，在考慮幾何和材料非線性的基礎(chǔ)上，分析了分隔數(shù)、塔腿高度、主斜材夾角對(duì)塔腿極限承載力的影響，為工程設(shè)計(jì)提供一些建議。

關(guān)鍵詞：輸電塔塔腿；受力性能；數(shù)值模擬

目前在工程中，塔腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法采用桿系單元有限元方法進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有考慮變形的影響，認(rèn)為主材內(nèi)力沿高度不發(fā)生變化且忽略了彎矩和剪力作用，這種方法得到的塔腿極限承載力只與主材長(zhǎng)細(xì)比和截面積有關(guān)。當(dāng)輸電塔高度增大、受力趨于復(fù)雜時(shí)，大變形產(chǎn)生的二階效應(yīng)有可能使塔腿的受力性能變差，承載能力下降。

1 塔腿受力性能

本文以某500KV輸電線路直線塔為例，該塔全高71.5m，塔腿高15.3m，主材規(guī)格為200X16B。

利用ANSYS軟件的有限元理論對(duì)塔腿進(jìn)行分析計(jì)算。主斜材采用BEAM189單元，輔助材采用BEAM44單元，并釋放了橫隔面桿件和輔助材對(duì)受力桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。主材屈服強(qiáng)度取380N/mm2，斜材、隔面材和輔助材屈服強(qiáng)度取210N/mm2，彈性模量取2.06x105 N/mm2，泊松比取0.3，材料應(yīng)力應(yīng)變曲線采用理想彈塑性模型。另外，采用特征值缺陷模態(tài)的方法考慮初始缺陷對(duì)鐵塔承載力的影響，對(duì)塔腿結(jié)構(gòu)施加塔腿整體高度1/1000的初始缺陷。對(duì)該塔腿施加沿主材方向作用P，采用牛頓法進(jìn)行計(jì)算。其屈曲時(shí)向內(nèi)側(cè)彎曲，下部側(cè)移明顯大于上部。

1.1 分隔數(shù)對(duì)塔腿承載力的影響

在同樣的塔腿高度下，即使主材長(zhǎng)細(xì)比和截面積保持不變，當(dāng)分隔數(shù)發(fā)生變化時(shí)塔腿的變形模式會(huì)有所不同，有可能對(duì)塔腿受力性能產(chǎn)生影響。

表 1桿件截面類型

分隔數(shù) 主材規(guī)格 截面積（cm2） 塔腿極限承載力（kN） 比較系數(shù)

7 228.6X13.86 61.447 1896.75 100.00%

8 200X16 61.44 1885.5 99.41%

9 177.8X18.2 61.407 1877.25 98.97%

為探討分隔數(shù)的這種影響，分別比較了7、8、9三種分隔數(shù)下的塔腿承載力。表1給出了不同分隔數(shù)下的主材規(guī)格和塔腿極限承載力，其中，主材分別采用了三種不同的截面規(guī)格，以保證同樣塔腿高度下主材長(zhǎng)細(xì)比和截面積不變。

從表中可以看出，分隔數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致塔腿極限承載力減小。這是因?yàn)?，從塔腿的屈曲模態(tài)來(lái)看其薄弱部位往往出現(xiàn)在塔腿下部，分隔數(shù)的增大會(huì)導(dǎo)致薄弱部位分隔處截面寬度變小，其抗彎、抗剪等力學(xué)性能變差，最終使得塔腿極限承載力下降。

另一方面，需要注意到，其中與七分隔相比，九分隔的塔腿承載力僅僅下降了1%左右，說(shuō)明這種分隔數(shù)對(duì)塔腿極限承載力的影響很有限。因此，在工程設(shè)計(jì)中，有時(shí)候可以采用增大分隔數(shù)以降低主材規(guī)格的做法，降低用鋼量，帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 塔腿高度對(duì)塔腿受力性能的影響

本文分別比較了三種不同高度下的塔腿承載力。表2給出了三個(gè)高度相應(yīng)的分隔數(shù)和長(zhǎng)細(xì)比，以保持主材長(zhǎng)細(xì)比不變。圖1給出了不同塔腿高度下，塔腿承載力的變化并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

表2 不同高度下的分隔數(shù)

主材規(guī)格 塔腿高度（m） 分隔數(shù) 長(zhǎng)細(xì)比

13.3875 7 48.3

200X16B 15.3 8 48.3

17.2125 9 48.3

圖 1不同高度下的塔腿極限承載力

從圖中可以看到，塔腿高度增大會(huì)導(dǎo)致其承載力明顯下降，而且當(dāng)塔腿高度過(guò)大時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果會(huì)偏于不安全。因此，工程設(shè)計(jì)中，對(duì)高度較小的塔腿，其裕度可以取小些，而高度較大的塔腿需要適當(dāng)?shù)脑黾影踩６取?/p>

1.3 主斜材夾角的影響

如前文所述，塔腿剛度沿著縱向方向逐漸減少導(dǎo)致下部出現(xiàn)薄弱部位，進(jìn)而引起其極限承載力下降。實(shí)際上，當(dāng)主斜材夾角較小時(shí)，塔腿剛度沿縱向減小速度加快，可能會(huì)對(duì)其受力性能產(chǎn)生影響。

為給實(shí)際工程提供參考價(jià)值，保持塔身坡度不變，通改變塔腿上下開(kāi)口寬度來(lái)改變主斜材夾角，進(jìn)而比較不同夾角下的塔腿受力性能。圖2給出了不同主斜材夾角下的塔腿極限承載力，并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

圖 2不同主斜材夾角的塔腿極限承載力

從圖中可以看到，主斜材夾角的減小會(huì)導(dǎo)致塔腿極限承載力明顯下降，當(dāng)主斜材夾角小于18度以后傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果會(huì)偏于不安全。因此，在實(shí)際工程中，主斜材夾角過(guò)小時(shí)，需要適當(dāng)提高主材的安全裕度。

2 結(jié)語(yǔ)

分隔數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致塔腿極限承載力減小，但影響頗小。工程設(shè)計(jì)中可采用增大分隔數(shù)以降低主材規(guī)格。塔腿高度的增大和主斜材夾角的減小都會(huì)導(dǎo)致其承載力明顯下降，當(dāng)塔腿高度過(guò)大或者主斜材夾角小于18度時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果會(huì)偏于不安全，需適當(dāng)增加安全裕度。

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