輸電鐵塔輔助材承載能力分析及設計研究

徐徐

摘要：世界上各個國家因?qū)嶋H情況不同，對于輸電鐵塔輔助支撐材料的設計差異較大。通過對中國、美國、歐洲以及印度相關(guān)規(guī)范進行梳理，將研究結(jié)果與鐵塔真型試驗實測的數(shù)據(jù)以及有限元數(shù)值模擬分析的數(shù)據(jù)進行相關(guān)的比較和分析，提出符合中國的輸電鐵塔輔助材料的建議公式，并且在經(jīng)過模型驗證以及經(jīng)濟性分析后滿足工程設計的要求，以此作為相關(guān)規(guī)范修編的一個參考。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；輔助材；真型試驗；支撐力

在輸電線路的鐵塔設計中，輔助材料的作用主要是減小受力支撐，提高承載能力，在鐵塔有限元建模分析中，一般并不參與受力的分析，其自身所受的負荷，以及自身的重量，在輔助材料中，大可忽略不計，進行圖紙設計，要根據(jù)規(guī)范要求進行受力分析和選擇材料，隨著電壓等級的提高，鐵塔尺寸和規(guī)模也隨之越來越大，輔助材在鐵塔中所占的比例也逐步提高，特別是特高壓山地長短腿角鋼塔輔助材設計在整個鐵塔的工作量占到一半以上，而國內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)定中只簡單的要求輔助才支撐力按照相應的固定百分比進行設計，與美國、歐洲的規(guī)范，設計原則相比要求相對簡單，沒有與所支撐鋼件的實際長細比等關(guān)聯(lián)，當長細比比較大的時候，這些主材存在支撐力不足的缺陷，容易導致風險。目前，國內(nèi)，在多種輸電鐵塔領(lǐng)域，研究，已經(jīng)有了部分成果，研究人員對于鐵塔輔助才合理的計算方式也進行了一定研究，但與國外相關(guān)規(guī)范相比缺乏合理的推薦公式，本文就通過對多種輸電鐵塔進行對比分析和實際計算，提出在鐵塔輔助材料選材的相關(guān)建議，為國內(nèi)相應規(guī)范的制定提供參考。

1.相關(guān)規(guī)范對輔助材設計的要求及對比分析

各國規(guī)范中對輔助材都規(guī)定按照被支撐主材軸力的一定百分比進行設計，但由于各國實際情況有所不同，在具體的取值范圍上也存在較大的差異。中國《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，和印度的相關(guān)規(guī)范IS802，只是簡單地給出了一個固定的百分比，并沒有實際考慮到被支撐主材個別特性，而美國和歐洲的相關(guān)規(guī)范則依據(jù)被支撐主材的特性即材料的長細比進行計算確定，當這一比例較大時則材料所需要的支撐力也就越大，但沒有明確主材料和鞋材料支撐的區(qū)別。

一般在具體應用中要計算輔助才支撐百分比，也就是輔助材支撐力在主材支撐力的中所占的百分比，它的取值范圍一般分為兩類，當輔助材支撐的百分比大于一定范圍之后，其規(guī)定輔助材支撐力百分比不隨長細比的變化而變化，當輔助材支撐百分比過小時，則會出現(xiàn)不穩(wěn)定、不安全現(xiàn)象，這一數(shù)據(jù)中印度的規(guī)范相比其他規(guī)范來說規(guī)定的比較保守，經(jīng)對比分析可知，中國與美國以及歐洲的規(guī)范支撐力的百分比曲線長細比在90左右存在交叉。

通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，各國規(guī)范對于輔助才支撐力的百分比取值范圍存在差別較大，美國和歐洲的規(guī)范中規(guī)定，當主材料的長細比大于一定值后，其長細比于輔助才支撐力的百分比，呈正相關(guān)的發(fā)展趨勢，這兩種材料的輔助支撐力百分比大體相同，而我國和印度材料支撐力百分比為特定值時，其不隨長細比的變化而變化，會獲得相應的材料百分比組材料長細比的對應關(guān)系，筆者通過真形和數(shù)據(jù)模擬方式展開了進一步研究。

2.典型輔助材布置方式試驗對比分析

為進一步驗證過規(guī)范所規(guī)定的輔助才受力取值范圍是否合理，現(xiàn)找出國內(nèi)多個輸電線路工程試驗的數(shù)據(jù)，進行分析，將數(shù)據(jù)結(jié)果與各國規(guī)范財，支撐力的百分比取值進行比較，驗證該比例是否合理以及規(guī)范取值的準確性。

通過對上述試驗數(shù)據(jù)以及相關(guān)鐵塔設計的經(jīng)驗可知，一般電力鐵塔在主裁長細比設計時均在60以下，但各國規(guī)范中規(guī)定的主材長細比最高可達150，為適應各國規(guī)范對主材長細比的規(guī)定范圍，需進一步擴大數(shù)據(jù)來源，增加數(shù)據(jù)個數(shù)，為規(guī)范公式提供實踐依據(jù)。

3.輔助材支撐力有限元數(shù)值模擬分析方法

受實際環(huán)境的制約，鐵塔真型試驗的數(shù)據(jù)不可能全部搜集，真型數(shù)據(jù)的有限性，就是得實驗數(shù)據(jù)覆蓋的允許主材長細比的范圍較小，因此為進一步增加輔助材質(zhì)長細百分比的范圍，采取有限元模擬的方法，以提取相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，對于試驗的數(shù)據(jù)進行補充。

3.1驗證有限元模擬數(shù)據(jù)的正確性

借助有限元分析軟件進行數(shù)據(jù)的建模分析，并結(jié)合鐵塔實際受力的特點，以及計算進行設計的相應原則，鐵塔組材料采取梁單元進行模型分析，其他輔助材使用相應的單元進行建模，截面則按實際截面進行建模，通過建模分析可建筑材料和鞋材在支撐位置應力值發(fā)生變化，在有限元數(shù)據(jù)模型中，鐵塔的構(gòu)件都起到了相應的支撐作用。

3.2應用有限元數(shù)值模擬研究輔助才支撐力

在有限元數(shù)據(jù)模型中，通過對各結(jié)構(gòu)和尺寸的規(guī)格調(diào)整，進一步增加了長細比數(shù)值的取值范圍以及輔助才支撐力百分比的數(shù)值，為輔助材支撐力百分比計算提供更多、更可靠的依據(jù)。

通過對有限元數(shù)據(jù)分析計算得到的結(jié)論如下：在長細比大于60的數(shù)據(jù)范圍中，歐洲和美國的規(guī)范百分比取值與實驗數(shù)據(jù)的輔助才支撐比值相近，而我國和印度的規(guī)范則不能體現(xiàn)變化規(guī)律，輔助才支撐比增大的趨勢，也無法隨著主材長細比的增大而增大，可見美國和歐洲的規(guī)范采取的增大曲線較為合理，但仍有相當數(shù)量的數(shù)據(jù)超出曲線取值范圍。

3.3對于輔助材支撐力百分比公式的修正

通過對上述分析，可得而知，鐵塔結(jié)構(gòu)主材的長期比一般在20到60之間，而且在此范圍內(nèi)輔助支撐材料，會隨著長期變化而變化，但變化并不明顯。當主材料長細比超過額定范圍逐漸增大時，輔助材料支撐的百分比也會隨著長細比而變化，這種變化比較顯著。此公式應根據(jù)上述規(guī)律而進行修改，以提高工程的適用性，滿足工程建設的需要。

3.4推薦公式經(jīng)濟性分析

為驗證本文所推薦的輔助材質(zhì)稱百分比計算公式是否具有經(jīng)濟性，在選取具有代表性的塔身模型進行試驗，可對材料進行對比，比較所選材料的鋼材量，為提高結(jié)果的可靠性，選取的材料數(shù)量較多。當對比分析后可發(fā)現(xiàn)，雖然長期比大于45后，推薦公司的百分比取值較高，但大部分塔身的長細比小于45，推薦公式可使用材料可降低規(guī)格。

4.結(jié)論

通過對各規(guī)范輔助才支撐力百分比進行分析可以發(fā)現(xiàn)，中國的規(guī)范和其他典型國家和地區(qū)規(guī)范取值方式存在較大差異，差異體現(xiàn)在與長細比的關(guān)系上，當長細比大于定值時，美國和歐洲的規(guī)范中長細比呈正相關(guān)，且比例大體相同，但中國規(guī)范材料支撐的百分比為定值時，并不隨著長細比的增大而發(fā)生變化，通過實驗分析和有限元數(shù)據(jù)模型可得計算公式。通過塔身輔助材經(jīng)濟性研究， 可知經(jīng)修正的推薦公式可明顯降低輔助材重量。

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