110kV耐張角鋼塔ANSYS靜動(dòng)力特性分析

文/劉靜、黃青丹、張亞茹、李聃 廣州供電局有限公司電力試驗(yàn)研究院 廣東廣州 510410

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展[1]，電力作為我國(guó)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(guó)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(duì)國(guó)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(kāi)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(duì)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(guò)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(wú)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(zhǎng)的函數(shù)或者剛性的。梁?jiǎn)卧譃槎喾N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(duì)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(méi)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(duì)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(duì)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(guò)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(shuō)明該輸電桿塔在最大風(fēng)荷載作用下沒(méi)有危險(xiǎn)。同時(shí)通過(guò)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(lái)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(duì)110J2J604型耐張輸電桿塔完成實(shí)體模型建立后，對(duì)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(duì)比

該輸電桿塔第一周期的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中，H為塔高; b , B為塔頂、底的寬度。

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(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)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，自振周期偏小；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(yǔ)：

a）本文根據(jù)工程實(shí)際，選用合理的有限元建模方法對(duì)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。