基于ABAQUS的重冰區(qū)鐵塔仿真分析與試驗研究

陳 忠，田 紅，許維忠，閻曉銘

(1.宜昌電力勘測設計院有限公司，湖北 宜昌 443003) (2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

隨著各地電網建設的不斷完善和風電送出線路等在重冰區(qū)的逐步建設，220 kV不同結構型式的重冰區(qū)鐵塔應用越來越廣泛?，F行輸電線路設計規(guī)范[1]和重冰區(qū)輸電線路設計規(guī)范[2-3]實施后，線路的倒塔或塔頭部分破壞現象已經大大減少，但是冬季山區(qū)覆冰時期重冰區(qū)線路仍然會發(fā)生桿塔整體或局部破壞，特別是在桿塔前后檔高差較大，不均勻脫、覆冰嚴重和覆冰厚度超厚、覆冰的同時風速過大等微氣象區(qū)，桿塔破壞概率較大。因此有必要對此類桿塔進行仿真分析，以驗證桿塔的整體結構強度和安全性能是否滿足不同工況下的使用要求。

重冰區(qū)鐵塔是重冰區(qū)輸電線路的支撐，常見的重冰區(qū)鐵塔為角鋼塔或鋼管塔。有別于常規(guī)直線塔的控制工況為大風工況，重冰區(qū)直線塔的控制工況為覆冰工況，因為覆冰時導地線和鐵塔受風面增加，同時風速也相應增加，致使橫向覆冰風荷載相比輕、中冰區(qū)鐵塔有所增加。重冰區(qū)耐張塔的控制工況為驗算覆冰，此時導地線的張力達到最大值。相比于常規(guī)塔，重冰區(qū)塔往往承受更大的導地線張力、覆冰橫向風荷載、垂直荷載、斷線和不均勻覆冰引起的扭矩等，因此塔頭尺寸、根開、塔材規(guī)格、質量等更大。

針對重冰區(qū)桿塔的ABAQUS結構仿真分析成果較少。易文淵[4]、陳科全等[5]利用ABAQUS軟件做過有關導線脫冰動力響應的分析；薛琰[6]、李明軒[7]利用ABAQUS軟件做過桿塔基礎承載特性數值和上拔性能分析。本文利用ABAQUS軟件對重冰區(qū)鐵塔進行不同工況下的受力仿真模擬，以實際工程中應用的不同塔型為例進行真型試驗，對模擬計算結果與真型試驗結果進行對比分析，為重冰區(qū)鐵塔的優(yōu)化設計提供參考。

1 ABAQUS數值模型的建立

1.1 創(chuàng)建部件和賦予屬性

2K21和2K31模塊是湖北地區(qū)35～220 kV桿塔設計通用的組成模塊，由宜昌電力勘測設計院設計。真型試驗的鐵塔為2K21-ZBC3-27和2K31-JC1-18。2K21和2K31模塊的主要技術條件見表1。

表1 主要技術條件

2K21-ZBC3-27直線塔設計水平檔距為600 m，垂直檔距為1 000 m，代表檔距為450 m，可承受3°的轉角荷載。2K31-JC1-18耐張塔設計水平檔距為500 m，垂直檔距為800 m，代表檔距為400/500 m，轉角度數為0°～20°。

仿真模型采用梁—桁架單元混合模型，即主材及橫隔材采用梁單元，斜材及其他輔材采用桁架單元。相比全部采用梁單元或桁架單元，梁—桁架單元混合模型更符合鐵塔的實際受力狀態(tài)。鐵塔腳部節(jié)點與地面連接為剛接。直線塔和耐張塔單線圖和三維有限元圖如圖1和圖2所示。

圖1 2K21-ZBC3-27塔單線圖和三維有限元圖

圖2 2K31-JC1-18塔單線圖和三維有限元圖

桿塔材料的力學參數見表2。

表2 桿塔材料力學參數

根據2K21-ZBC3-27和2K31-JC1-18的結構圖，組成鐵塔的桿件規(guī)格見表3。

按實際的規(guī)格對各桿件予以定義，并指定梁的方向。

1.2 分析步和劃分網格

除程序默認的初始分析步外，應定義一個進行通用靜力計算的分析步，計算桿件在彈線性階段的位移和應變。

表3 桿塔的桿件規(guī)格

在ABAQUS/Explict中，穩(wěn)定時間增量步長與最小的網格尺寸成正比，因此網格尺寸越大越好。但是網格尺寸越大，分析的精確度就越小，因此應盡可能均勻地劃分網格。本試驗鐵塔網格劃分如圖3所示。

圖3 桿塔的網格劃分圖

1.3 施加荷載和進行作業(yè)

將不同工況下鐵塔的導地線掛點承受的荷載、塔各分段承受的橫向風荷載分別施加到計算模型中，施加節(jié)點及集中荷載數值與真型試驗完全一致。直線塔試驗包括7種工況，見表4，耐張塔試驗包括8種工況，見表5。

表4 直線塔試驗工況

表5 耐張塔試驗工況

進行數據檢查，提交作業(yè)，完成數值模型的建立和計算，并導出不同工況下的位移和應變計算結果。

2 重冰區(qū)鐵塔試驗概況

2.1 試驗工況

2K直線塔和耐張塔采用基于桿單元模型的道亨滿應力設計軟件進行構件內力計算和選材，并用Smart Tower軟件進行結構校驗。選取7種(2K21-ZBC3塔)和8種(2K31-JC1塔)工況分別進行試驗，包括大風、覆冰、斷線、不均勻冰和驗冰等工況，試驗順序和具體工況分別見表4和表5。

2.2 荷載施加和測點布置

1)直線塔試驗。

工況1～工況6垂直、縱向荷載按設計荷載的0、50%、75%、90%、95%、100%、0的順序加載，工況7垂直、橫向荷載按設計荷載的0、50%、75%、90%、95%、100%、105%、110%、115%、120%、125%、130%、135%、140%、145%、150%、0的順序加載。

直線塔共布置了10個位移測點，分別位于塔頭導地線掛點處、地線支架與橫擔相交處、“K”節(jié)點處、塔頭塔身相交處以及塔身主材與斜材相交處；另布置了39個應變測點，分布于導地線掛點附近的主材和斜材、應力變化較大的主材和斜材以及關鍵的隔面材上。

直線塔位移觀測點、應變觀測點布置和試驗照片如圖4所示。

圖4 直線塔真型試驗測點布置圖

2)耐張塔試驗。

工況1～工況7垂直、縱向、橫向荷載按設計荷載的0、50%、75%、90%、95%、100%、0的順序加載，工況8垂直、縱向、橫向荷載按0、50%、75%、90%、95%、100%、105%、110%、115%、120%、125%、130%、135%、140%、145%、150%、0的順序加載。

耐張塔共布置了9個位移測點，分別位于塔頭導地線掛點處、地線支架和導線橫擔與塔身相交處、主材變坡處以及最下端隔面與主材相交處；另布置了44個應變測點，分布于導地線掛點附近的主材和斜材、應力變化較大的主材和斜材以及關鍵部位的主材上。

耐張塔位移觀測點、應變觀測點布置和試驗照片如圖5所示。

試驗結果顯示，各觀測點的縱、橫向位移值變化合理，鐵塔各部件未見明顯異常，表明鐵塔整體強度滿足規(guī)范和工程要求。

圖5 耐張塔真型試驗測點布置和現場圖

3 計算結果分析

3.1 位移值對比

選取直線塔2K21-ZBC3-27的工況5(大風)和工況7(驗冰)，以測點5為例，對ABAQUS模擬計算值與試驗值進行對比，結果如圖6所示(圖中X值為橫向位移、Y值為縱向位移、Z為豎向位移，下同)。

選取耐張塔2K31-JC1-18的工況4(覆冰)和工況8(驗冰)，以測點9為例，對ABAQUS模擬計算值與試驗值進行對比，結果如圖7所示。

圖7 耐張塔位移試驗值和計算值對比

從圖6、圖7可知，縱向位移計算值小于試驗值，橫向位移計算值與試驗值相近，豎向位移計算值小于試驗值。

3.2 應變值對比

角鋼塔應變較大的桿件通常為主材和變坡處的斜材。直線塔選取測點3，10，15，24，25，以工況5(大風)和工況7(驗冰)為例，對ABAQUS模擬計算值和試驗值進行對比，結果如圖8所示。

圖8 直線塔應變試驗值和計算值對比

耐張塔以工況4(覆冰)和工況8(驗冰)為例，選取測點1，5，8，16，29，對ABAQUS模擬計算值和試驗值進行對比，結果如圖9所示。

3.3 位移和應變值對比分析

經對比分析，ABAQUS模擬計算值與鐵塔真型試驗值結果相近，說明ABAQUS有限元模型模擬計算的鐵塔節(jié)點位移和桿件靜力應變與實際情況相符，采用梁—桁架單元能夠較好地反映塔材桿件軸力、應變應力變化規(guī)律。

從圖6和圖7的結果對比可以得出：

1)導線掛點的縱向模擬計算值比試驗值小，橫向模擬計算值與試驗值相近，豎向模擬計算值比試驗值小。

2)試驗鐵塔變形呈線性增加。鐵塔桿件處于彈性階段時，計算值與試驗值的差值比例隨荷載施加值的增大而減小。

3)試驗值偏大的原因主要有螺栓滑移、縱向施荷鋼絲繩的附加重力因素、加工誤差及安裝間隙等[8-10]。

圖9 耐張塔應變試驗值和計算值對比

從圖8和圖9的結果對比可以得出：1)在覆冰和驗冰工況下，橫擔以上主材的試驗值/計算值比值較橫擔以下試驗值/計算值比值大，主要是因為橫擔以上主材和斜材規(guī)格較小，螺栓滑移效應更明顯。

2)導線掛點處和主材變坡處斜材的試驗值與計算值之間的差值較大，進行理論計算及鐵塔設計時，應適當增加此關鍵部位的斜材規(guī)格。

4 結論

1)經真型試驗，驗證了本文所述的直線塔和耐張塔的結構安全性。當荷載加到設計荷載的150%時，此兩基鐵塔仍未被破壞，說明其結構設計偏于保守，結構安全裕度較大。

2)ABAQUS位移計算值比試驗值小，且施加的荷載越小，差值比例越大。模擬計算時，可根據實際情況進行計算結果后處理。

3)ABAQUS應變計算值與試驗值的差值，與主材所處位置相關。建模計算時，應將橫擔以上主材、導地線掛點及主材變坡處的斜材應力適當提高，以更好地保證鐵塔結構的安全。

本文只分析了主材和小部分斜材的位移與應變計算值及試驗值的關系，大部分斜材和輔助材未作分析，后續(xù)工作將對這些斜材和輔助材的變形與受力進行研究，更準確地模擬桿件受力情況，指導鐵塔更合理的設計。