輸電線路輕鋼防撞結(jié)構(gòu)等效靜力與能量分析

湯曉剛，張 莉，梁東躍（安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230022）

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輸電線路輕鋼防撞結(jié)構(gòu)等效靜力與能量分析

湯曉剛，張 莉，梁東躍
（安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230022）

摘要：傳統(tǒng)輸電線路桿塔的防撞墩土建工程量大，現(xiàn)場施工難度高，占據(jù)水域范圍廣，影響航道尺度，可靠性和安全性有待提高。為此提出了新型的輕鋼防撞結(jié)構(gòu)，通過建立力學(xué)分析模型，對防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效靜力分析與能量分析，綜合比較在發(fā)生碰撞時有防撞結(jié)構(gòu)和無防撞結(jié)構(gòu)的各種工作狀態(tài)。通過仿真模型采集位移變形、應(yīng)力和系統(tǒng)整體的總能量、動能、內(nèi)能等數(shù)據(jù)，驗證輕鋼結(jié)構(gòu)的防撞性能。與傳統(tǒng)防撞墩相比，輕鋼結(jié)構(gòu)材料和防撞型式合理，防撞結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性高，結(jié)構(gòu)的制造、安裝、維護(hù)和修理的經(jīng)濟(jì)性好，適用于輸電線路在水域中架設(shè)桿塔的防撞要求，滿足安全可靠和經(jīng)濟(jì)適用的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：輸電線路；防撞；等效靜力分析；能量分析。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力也快速發(fā)展。根據(jù)電力行業(yè)有關(guān)要求，需對重要跨越設(shè)施采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，為了保證跨通航江河、湖泊或海峽的輸電線路運(yùn)行安全，位于水域中的桿塔基礎(chǔ)應(yīng)考慮局部沖刷、漂流物或流水等撞擊影響。由于發(fā)生碰撞造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響極其巨大 ，所以為確保桿塔運(yùn)行安全，應(yīng)充分考慮碰撞風(fēng)險，并進(jìn)行桿塔的防撞能力和防撞性能的研究，對輸電線路中的桿塔基礎(chǔ)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)是非常有必要的。

目前國內(nèi)外理論研究、碰撞實(shí)例調(diào)查和模擬實(shí)驗的研究都集中在撞擊概率、撞擊動能、對基礎(chǔ)或防撞系統(tǒng)的撞擊力及能量吸收等方面。

1 設(shè)計思路

防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路主要有以下幾點(diǎn)：

（1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置，使碰撞事故發(fā)生后，通過防撞結(jié)構(gòu)的變形、壓潰和撕裂，讓漂浮物帶走更多能量，減少基礎(chǔ)臺柱吸收的能量，從而降低碰撞力。

（2）整個防撞結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)承臺范圍內(nèi)，防撞結(jié)構(gòu)高度應(yīng)超過最大水位高度，但也不能過高，避免結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低和鋼材的浪費(fèi)。

（3）防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計為輕型鋼結(jié)構(gòu)，各連接點(diǎn)均采用螺栓連接。不僅可以保證撞擊破壞后能及時更換其中一個或幾個受損部件，而且便于達(dá)到使用年限后整體更換。

（4）為了避免結(jié)構(gòu)過于稀疏起不到防撞的作用，沿對角線增加扁鋼，并焊接少許鋼筋作為加密結(jié)構(gòu)。

（5）防撞設(shè)施應(yīng)具有良好的可靠性和安全性，制造、安裝、維護(hù)和修理的經(jīng)濟(jì)性較好。

2 防撞結(jié)構(gòu)等效靜力分析

2.1 防撞結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

目前解決碰撞問題的方法有經(jīng)典的Minorsky方法，漢斯—德魯徹理論，各種簡化解析方法，簡化內(nèi)部機(jī)理的數(shù)值解法，試驗方法和有限元方法等。

防撞結(jié)構(gòu)以樁柱軸線為軸，形成圓形防撞結(jié)構(gòu)，槽鋼為豎向支撐結(jié)構(gòu)，角鋼與槽鋼水平連接形成一個框架結(jié)構(gòu)。為了增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度，保證防撞結(jié)構(gòu)與柱的可靠連接，添加水平與豎向支撐，最終形成一個較大的近似正方形的空格。

建立防撞結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型，采用有限元分析軟件MARC進(jìn)行計算，其中槽鋼柱采用梁單元、角鋼與扁鋼采用桁架單元、混凝土與巖土采用實(shí)體單元建立力學(xué)模型，見圖1。

圖1 防撞結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

碰撞是一個動態(tài)響應(yīng)過程，動力影響不能忽略。由于漂浮物和防撞結(jié)構(gòu)的塑性性能對應(yīng)變率是高度敏感的，其屈服應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限隨應(yīng)變率的增加而增加，因此在材料模型中引入應(yīng)變率敏感性的影響，以考慮碰撞問題的動力特性。

相接結(jié)構(gòu)（或構(gòu)件）之間的相互作用通過接觸算法來完成。在可能發(fā)生接觸作用的結(jié)構(gòu)之間定義接觸面，接觸面能有效地模擬相撞結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并允許結(jié)構(gòu)之間連續(xù)不斷的接觸和滑動。

采用m法對防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。在碰撞過程中，滿足能量守恒定律，撞擊物的撞擊動能（包括附加水質(zhì)量提供的動能）將轉(zhuǎn)化為如下幾種能量：撞擊物的彈塑性變形能及碰撞結(jié)束時撞擊物及附加水的剩余動能；防撞結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能及動能；構(gòu)件之間摩擦引起的熱能損失；計算中由于沙漏現(xiàn)象損失的能量。

2.2 荷載和工況設(shè)置

桿塔結(jié)構(gòu)上的荷載主要考慮：基礎(chǔ)作用力設(shè)計值；等效撞擊荷載（等效撞擊力取1.22 kN）；活荷載；恒載；結(jié)構(gòu)風(fēng)載。

考慮漂浮物撞擊和活載兩種情況，以及基礎(chǔ)作用力設(shè)計值、等效撞擊作用點(diǎn)、活載作用點(diǎn)和撞擊角度四種因素設(shè)置不同工況。作用點(diǎn)位置及編號見圖2，撞擊角度以撞擊作用點(diǎn)指向圓心為0°，即取基礎(chǔ)軸線的法線與水流速度方向的夾角為0°，作為漂浮物撞擊基礎(chǔ)臺柱計算的撞擊角度。

圖2 作用點(diǎn)示意圖

2.3 碰撞過程等效靜力分析

根據(jù)所設(shè)工況，取基礎(chǔ)作用力較大的桿塔對防撞結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計算，得出防撞結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和樁基在漂浮物碰撞時所受的強(qiáng)度影響。以等效撞擊作用點(diǎn)4，撞擊角度0°為例，見圖3（a），最大組合應(yīng)力為1.39 MPa，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力只受基礎(chǔ)作用力的影響。圖3（b）顯示位移最大值為1.91 mm。圖3（c）顯示最大應(yīng)力24.57 MPa出現(xiàn)在作用點(diǎn)位置。圖3（d）顯示位移最大值為1.8 mm。

圖3 工況15防撞結(jié)構(gòu)組合的應(yīng)力圖和位移云圖

位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在防撞結(jié)構(gòu)頂端，主要是因為桿塔頂端受到基礎(chǔ)作用力影響，防撞結(jié)構(gòu)隨著桿塔產(chǎn)生一定的豎向位移。作用點(diǎn)4應(yīng)力較大主要由于該處是扁鋼，截面較為薄弱，受撞擊力作用時，影響較大。

2.4 等效靜力分析結(jié)論

（1）當(dāng)撞擊力作用點(diǎn)位于鋼筋上，防撞結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大，主要由于鋼筋截面相對較小。

（2）結(jié)構(gòu)頂端有較大位移。由于撞擊力會使防撞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一定的水平位移。

（3）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)作用力和結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的豎向位移相比撞擊力引起的水平位移要小。

（4）由于計算時加密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沒有參與整體力學(xué)分析，建模均采用絕對的鉸接，所以防撞結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度及剛度比模型計算值大。

3 防撞結(jié)構(gòu)能量分析

3.1 防撞結(jié)構(gòu)碰撞仿真模型

在防撞結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，添加一個剛體來模擬撞擊物，考慮最不利碰撞情況，建立防撞結(jié)構(gòu)碰撞仿真模型。假設(shè)撞擊物尺寸為0.8 m×0.6 m×0.66 m，密度為1262.6 kg/m3，速度為0.3 m/s，接觸類型為通用接觸，忽略切向摩擦?？紤]能量分析，模型上不施加任何荷載，整個系統(tǒng)的總能量等于撞擊物的初動能。同時建立撞擊物直接撞擊混凝土臺柱的模型與上述情況進(jìn)行對比分析。

3.2 防撞結(jié)構(gòu)碰撞能量分析

將兩組模型分別進(jìn)行碰撞仿真，采用顯式動力學(xué)法分析，分析時間設(shè)置為0.5 s，碰撞過程見圖4、圖5。

圖4 臺柱和防撞結(jié)構(gòu)碰撞過程

撞擊物發(fā)生碰撞，有防撞結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)整體的總能量、動能、內(nèi)能隨時間變化曲線見圖6（a）。無防撞結(jié)構(gòu)的變化曲線見圖6（b）。

圖6 系統(tǒng)能量—時間曲線

有防撞結(jié)構(gòu)時，撞擊過程中混凝土臺柱所受最大應(yīng)力隨時間變化見圖7，最大應(yīng)力產(chǎn)生部位見圖8。防撞結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力隨時間變化見圖9，防撞結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力產(chǎn)生部位見圖10。

圖7峰值為0.613 MPa，最大應(yīng)力在混凝土臺柱根部，遠(yuǎn)小于混凝土材料的許用應(yīng)力。圖9峰值為55.13 MPa，最大應(yīng)力在撞擊處附近，遠(yuǎn)小于鋼材的許用應(yīng)力。

圖7 混凝土臺柱最大應(yīng)力—時間圖

圖8 混凝土臺柱最大應(yīng)力產(chǎn)生部位

圖9 防撞結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力-時間圖

圖10 混凝土臺柱最大應(yīng)力產(chǎn)生部位

無防撞結(jié)構(gòu)時，撞擊過程中混凝土臺柱所受最大應(yīng)力隨時間變化見圖11，最大應(yīng)力產(chǎn)生部位見圖12。圖12峰值為0.981 MPa，最大應(yīng)力也位于混凝土臺柱根部。

圖11 混凝土臺柱最大應(yīng)力—時間圖

圖12 混凝土臺柱最大應(yīng)力產(chǎn)生部位

有防撞結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)總內(nèi)能，混凝土臺柱內(nèi)能以及防撞結(jié)構(gòu)內(nèi)能見圖13（a）。系統(tǒng)總內(nèi)能由防撞結(jié)構(gòu)內(nèi)能以及臺柱內(nèi)能組成，最大值為10.927 J，發(fā)生在碰撞最激烈的時刻，同時防撞結(jié)構(gòu)內(nèi)能也達(dá)到最大，其值為10.731 J，占系統(tǒng)最大內(nèi)能的98.2 %。選取混凝土臺柱作為研究對象，混凝土臺柱在有防撞結(jié)構(gòu)和無防撞結(jié)構(gòu)的內(nèi)能隨時間變化曲線分別見圖13（b）、圖13（c），峰值分別為3.847 J、6.175 J。

表1中，防撞結(jié)構(gòu)使混凝土臺柱所受最大應(yīng)力及最大內(nèi)能分別減少了35.68 %和37.70 %。

圖13 內(nèi)能—時間圖

表1 混凝土臺柱最大應(yīng)力及最大內(nèi)能對比

3.3 能量分析結(jié)論

（1）發(fā)生碰撞時，系統(tǒng)動能急劇減少，內(nèi)能急劇增大，此后一部分動能和內(nèi)能相互轉(zhuǎn)換，呈振蕩走勢，總和近似等于系統(tǒng)總能量，存在的誤差主要來自于粘性耗散能，整體能量守恒，故上述的碰撞分析結(jié)果可靠。

（2）碰撞過程中，混凝土臺柱和防撞結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力均小于各自材料的許用應(yīng)力。

（3）在碰撞發(fā)生最激烈的時間段內(nèi)，防撞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)能占系統(tǒng)總內(nèi)能的比重最大，實(shí)現(xiàn)了緩沖撞擊，有效減弱碰撞給混凝土臺柱造成的不利影響，達(dá)到保護(hù)混凝土臺柱的目的。

（4）通過自身結(jié)構(gòu)的塑性變形，防撞結(jié)構(gòu)可以吸收大量的碰撞能量，使其撞擊力減小到非破壞水平。

（5）設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)可有效地減少對混凝土臺柱的直接破壞，通過合理設(shè)計防撞結(jié)構(gòu)的剛度和型式，能有效降低碰撞力峰值，限制混凝土臺柱的最大碰撞力載荷。

綜上所述，輕鋼防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計思路正確、能量分析可靠、結(jié)構(gòu)型式安全。

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中圖分類號：TM75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-9913（2016）01-0063-06

* 收稿日期：2015-04-24

作者簡介：湯曉剛（1984- ），男，安徽合肥人，碩士，工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

The Equivalent Static and Energy Analysis of Light Steel Anticollision Structure in Transmission Line

TANG Xiao-gang， ZHANG Li， LIANG Dong-yue
（Anhui Huadian Engineering Consultating & Design Co.， Ltd.，Hefei 230022， China）

Abstract:The construction project quantity of the traditional transmission line tower anti-collision pier is large. The construction is quite difficult and it takes up wide waters. Which sometimes will affect the channel scale. Reliability and safety needs to be improved. This paper proposes he assembly model of impact structure， the mechanical analysis model was established. Through the analysis and the energy equivalent static analysis of the impact structure，structure，comprehensive comparison in the event of a collision with all kinds of working state of crash worthy structure and anti-collision structure was done. The displacement， stress and overall system total energy， kinetic energy，internal energy and other data which were collected in the simulation model verify the anti-collision performance of light steel structure assembled. Compared with the traditional anti-collision pier， assembly type structure material and reasonable structure type of collision avoidance have higher reliability and safety. And construction， installation，maintenance and repairing of the economy is better. The anti-collision performance of light steel structure assembled is suitable for transmission line tower anti-collision in the waters， it can meet the safety and reliability of the unification and economic applicability.

Key words:transmission line；anticollision；equivalent static analysis；energy analysis.