110kV耐張角鋼塔ANSYS靜動(dòng)力特性分析

【摘要】隨著輸電線路電壓等級的提高，對輸電線路桿塔系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文基于已有設(shè)計(jì)桿塔圖紙中角鋼類型繁多，建模復(fù)雜等特點(diǎn)。為了縮短建模周期，提高建模質(zhì)量，本文運(yùn)用新的建模方式對架空輸電桿塔進(jìn)行建模。通過對華南沿海區(qū)域110kV耐張角鋼塔的有限元建模和動(dòng)靜力分析，證明了該有限元建模方法的有效性和可行性。

【關(guān)鍵詞】輸電桿塔；角鋼；有限元建模

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展[1]，電力作為我國一項(xiàng)基本工業(yè)，其發(fā)展的速度直接影響、制約著其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，架空輸電桿塔已經(jīng)成為各國電力供應(yīng)最重要的載體。作為高負(fù)荷的電能輸送載體的輸電線路體系，對國家經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和維持人民群眾的日常生活正常運(yùn)行擔(dān)負(fù)著非常重要作用。

1、輸電桿塔ANSYS建模

1.1輸電桿塔建模的基本步驟

該110J2J604型耐張輸電桿塔塔高41.3m，根開9.8m，結(jié)構(gòu)全采用角鋼。此輸電塔共采用了2種鋼材，分別為Q235，Q345。

本文采用桁梁混合模型對輸電桿塔進(jìn)行建模。由于模型中角鋼種類多達(dá)30余種，不適合直接將輸

電桿塔幾何模型直接導(dǎo)入有限元軟件。

有限元建模具體的實(shí)施步驟如下：

a）根據(jù)設(shè)計(jì)的施工圖紙建立三維幾何模型，并獲取幾何模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；

b）通過關(guān)鍵點(diǎn)在ANSYS中建立輸電桿塔有限元模型；

c）加載求解。

1.2采用的單元類型[2]

桿單元用于模擬桁架、纜索、鏈桿、彈簧等構(gòu)件。該類單元只承受桿軸向的拉壓，不能承受彎矩，節(jié)點(diǎn)只有平動(dòng)自由度。不同的單元具有彈性、塑性、蠕變、膨脹、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大撓度（也稱大變形）、大應(yīng)變（也稱有限應(yīng)變）、應(yīng)力剛化（也稱幾何剛度、初試應(yīng)力剛度等）等功能。

LINK180無實(shí)常數(shù)型初應(yīng)變，但可以輸入初應(yīng)力文件，可考慮附加質(zhì)量；大變形分析時(shí)，橫截面面積可以是變化的，即可為軸向伸長的函數(shù)或者剛性的。梁單元分為多種單元，分別具有不同的特性，是一類軸向拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)的3D單元。該類單元有常用的2D/3D彈性梁元、塑性梁元、漸變不對稱梁元、3D薄壁梁元及有限應(yīng)變梁元。此類單元除BEAM189實(shí)為3節(jié)點(diǎn)外，其余均為2節(jié)點(diǎn)，但有些輔以另外的節(jié)點(diǎn)決定單元的方向。本文采用BEAM188單元。

1.3質(zhì)量增大系數(shù)

考慮到輸電桿塔實(shí)體模型中有螺栓、節(jié)點(diǎn)板的，而有限元模型只有桿系結(jié)構(gòu)，并沒有螺栓、節(jié)點(diǎn)板，這樣就造成有限元模型輸電桿塔質(zhì)量與實(shí)際結(jié)構(gòu)相比偏小。所以，在這里需要對鋼材密度乘以一個(gè)質(zhì)量放大系數(shù)K。根據(jù)以往同類型桿塔的建模經(jīng)驗(yàn)，本文輸電桿塔質(zhì)量放大系數(shù)取1.5。

2、輸電桿塔靜力特性分析[3、4]

本文根據(jù)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)程相關(guān)要求，對輸電桿塔進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算及加載，荷載工況為90度風(fēng)荷載。

計(jì)算后的得到的風(fēng)載荷分段加載到輸電桿塔并求解，通過ANSYS有限元分析可知，在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載及自重的作用下，輸電桿塔最大位移是150.8mm，最大等效應(yīng)力單元等效應(yīng)力為172.2Mpa，且位于塔腿處，說明該輸電桿塔在最大風(fēng)荷載作用下沒有危險(xiǎn)。同時(shí)通過有限元分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，斜桿應(yīng)力普遍較小，并不是重要的受力構(gòu)件，也進(jìn)一步論證有限元建模不考慮輔桿的合理性。同時(shí)為接下來研究在考慮腐蝕缺陷情況下輸電桿塔受力性能研究提供參考建議。

3、輸電桿塔動(dòng)力特性分析

3.1輸電桿塔模態(tài)提取

按照上述方法對110J2J604型耐張輸電桿塔完成實(shí)體模型建立后，對其進(jìn)行模態(tài)分析，并提取前6階自振周期及前3階振型。

3.2與經(jīng)驗(yàn)公式對比

該輸電桿塔第一周期的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

按照該公式求得輸電桿塔的自振周期T=0.423s，與有限元軟件計(jì)算的第一階周期0.323s相比，模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果比經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果大23.6%。兩者存在一定的差距，造成這個(gè)結(jié)果的原因主要有兩個(gè)，第一，有限元分析時(shí)對模型進(jìn)行了一定的簡化。主材、橫隔材全部剛接，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中主材、橫隔材并不是完全剛接的，所以造成結(jié)構(gòu)整體剛度偏大，自振周期偏??；第二，由于輸電桿塔的結(jié)構(gòu)形式多樣，并且高度不一，如干字塔、貓頭塔、酒杯塔等等，而不同高度、不同類型的輸電桿塔自振周期具有不同的特點(diǎn)，所以這一公式并不能適用于所有類型的輸電桿塔，在進(jìn)行輸電桿塔設(shè)計(jì)時(shí)需要更加精確的自振周期計(jì)算公式。

結(jié)語：

a）本文根據(jù)工程實(shí)際，選用合理的有限元建模方法對華南沿海區(qū)域110kV耐張角鋼桿塔進(jìn)行了實(shí)體建模以及靜動(dòng)力特性分析。論證了該輸電桿塔在最大風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

b）由于不同高度、不同類型的輸電桿塔自振周期具有不同的特點(diǎn)，所以這一公式并不能適用于所有類型的輸電桿塔。在進(jìn)行該類輸電桿塔設(shè)計(jì)時(shí)需要更加精確的自振周期計(jì)算公式。

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作者簡介：

劉靜，女，漢，籍貫廣東佛山，1986年8月生，研究方向：電力化學(xué)。

通信作者：華南理工大學(xué)，劉靜。