基于ABAQUS的山地輸電塔結(jié)構(gòu)模型試驗與優(yōu)化設(shè)計

張?zhí)斐?，張翔，石梓鈺，張謙碩，王迅周

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

山地輸電塔由于所處環(huán)境地形復(fù)雜，承受包括風(fēng)荷載、自重、縱向?qū)Ь€張力等多種荷載作用其安全性和可靠性長期以來受到廣泛學(xué)者和設(shè)計人員的關(guān)注。第十三屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽即是以此為背景要求設(shè)計并制作輸電塔模型，并通過三級加載,來模擬山地輸電塔在多種荷載作用下可能發(fā)生的損傷甚至結(jié)構(gòu)整體的倒塌破壞[1]。

本文從賽題出發(fā)并結(jié)合參加競賽獲得的經(jīng)驗，以力學(xué)分析為指導(dǎo)。在模型制作、方案演化、理論分析等方面進(jìn)行全方位的闡述,為結(jié)構(gòu)模型設(shè)計大賽提供參考,同時也為相關(guān)實際工程提供借鑒。

1 設(shè)計要求與加載方法

1.1 設(shè)計要求

模型要求設(shè)計并制作一個山地輸電塔模型，模型柱腳通過自攻螺絲固定于400×400×15的竹制底板上，模型底面尺寸限制在底板中央250mm×250mm的正方形區(qū)域內(nèi)。

設(shè)置低掛點(diǎn)2個、高掛點(diǎn)1個用于施加導(dǎo)線荷載和側(cè)向水平荷載，低掛點(diǎn)應(yīng)為模型最遠(yuǎn)懸臂點(diǎn)，距離底板表面高度應(yīng)在1000mm～1100mm內(nèi),其在底板面上的投影應(yīng)分別位于如圖1所示的上、下扇形圓環(huán)陰影區(qū)域內(nèi)；高掛點(diǎn)作為模型的最高點(diǎn)，其距離底板表面高度應(yīng)在1200mm～1400mm內(nèi)，其在底板面上的投影距離O點(diǎn)應(yīng)該小于350mm，如圖1所示。荷載施加分三級，一、二級加載均為掛線荷載，分別在指定導(dǎo)線的加載盤上放置砝碼，三級加載是通過側(cè)向加載引導(dǎo)線施加側(cè)向水平荷載，相關(guān)幾何尺寸要求見圖1。

圖1 山地輸電塔模型幾何尺寸要求

1.2 加載方法

為驗證模型穩(wěn)定性，按照賽題要求，我們在進(jìn)行一級、二級、三級加載時按照賽題要求的最大荷載進(jìn)行加載，導(dǎo)線懸掛示意圖見圖2。

圖2 導(dǎo)線懸掛示意圖

1.2.1 一級加載

一級加載通過放置作用于導(dǎo)線2上的砝碼（導(dǎo)線2與導(dǎo)線5的夾角為165°），間接作用于高掛點(diǎn)，砝碼質(zhì)量為4.0kg，加載完成停留10s后，讀取3個激光測距儀的凈空示數(shù)，若示數(shù)均大于規(guī)定的凈空限值且無異常，則進(jìn)入下一階段加載。

1.2.2 二級加載

保持一級荷載，對導(dǎo)線1、導(dǎo)線6上加載盤放置砝碼，砝碼質(zhì)量為4.0kg。加載完成停留10s后，讀取3個激光測距儀的凈空示數(shù)，若示數(shù)均大于規(guī)定的凈空限值且無異常，則進(jìn)入下一階段加載。

1.2.3 三級加載

保持一、二級荷載，在模型水平加載點(diǎn)通過“砝碼+引導(dǎo)繩”的方式施加側(cè)向水平荷載，荷載大小取10.0kg。加載完成停留10s后，模型結(jié)構(gòu)若不發(fā)生整體傾覆、垮塌，及導(dǎo)線墜落、掛鉤脫落等情況，則判定加載成功。

2 截面尺寸與材料性質(zhì)

2.1 模型的尺寸

模型的尺寸為：模型總寬25mm，翼展70mm，高125mm；模型底座為25mm×25mm的矩形，頂為15mm× 15mm的矩形，每層按比例縮減；

2.2 模型的截面

粘結(jié)劑：502膠水；

加載物：質(zhì)量為4.0kg、10.0kg的砝碼。

模型材料：選用規(guī)格為930mm×2mm×2.0（+0.5）mm的集成竹材。竹材規(guī)格及參考力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 竹材規(guī)格及參考力學(xué)指標(biāo)

3 加載結(jié)果及分析

依據(jù)賽題，按照加載的最大要求：

對輸電塔左翼尖端（低掛點(diǎn)1）施加方向為X軸偏-Y方向15°，大小為40N的力，即一級加載最大要求；

對輸電塔右翼尖端（低掛點(diǎn)2）施加方向為-X方向，大小為40N的力；對輸電塔最高處尖端（高掛點(diǎn)）施加方向為X軸偏-Y方向15°，大小為40N的力；即二級加載最大要求；

對輸電塔最高處尖端（高掛點(diǎn)）施加方向為-Y方向，大小為100N的力，即三級加載最大要求。

得到模型的應(yīng)力與應(yīng)變云圖見下圖3：

圖3 三級荷載作用下模型的應(yīng)力與應(yīng)變云圖

知：輸電塔應(yīng)力最大值為3.15×105Pa，應(yīng)變最大處為36.94cm。輸電塔應(yīng)變較大，該模型不具有實際意義，應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4 模型的優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在輸電塔應(yīng)變云圖中，宏觀觀測到的輸電塔結(jié)構(gòu)變形是由結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的；輸電塔桿件的變形（圖中已用不同顏色加以區(qū)分）是由外力荷載造成的[2-3]。

故模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)注重對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，對于外力荷載造成的桿件變形，此處不予討論。

由應(yīng)力、應(yīng)變云圖：輸電塔塔體因受扭矩影響發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

對于輸電塔塔尖結(jié)構(gòu)變形較大，考慮到塔尖受力較大，對塔尖輔以三角形結(jié)構(gòu)。

對于輸電塔塔體，由于其底層完全固定，上層受到外力傳遞的荷載作用，尤以扭矩作用效果明顯，輸電塔主題扭轉(zhuǎn)變形較大，對輸電塔塔體每層輔以四棱錐結(jié)構(gòu)[4-5]。模型實體見圖4。

圖4 模型實體圖

4.2 優(yōu)化后模型的檢驗

依據(jù)賽題，按照賽題加載的最大要求（已在3 加載結(jié)果及分析中介紹，此處不再贅述），得到優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變云圖如下圖5所示：

圖5 三級荷載作用下不同分析步的模型應(yīng)變云圖

圖5 三級荷載作用下優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變云圖

選取Step6、Step7、Step8、Step9、Step10、Step11（Step1—Step5變形不明顯，此處舍去），以觀察其連續(xù)的變形，Step6—Step11應(yīng)變云圖如下圖6所示：

輸電塔應(yīng)力最大值為1.13×105Pa，僅為優(yōu)化前的35.87%；輸電塔應(yīng)變最大處為2.36cm，僅為優(yōu)化前的6.39%。經(jīng)優(yōu)化后的輸電塔應(yīng)力、應(yīng)變比優(yōu)化前有較大范圍的改善，滿足賽題要求。

5 結(jié)論

采用Abaqus對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，在最大荷載的作用下，經(jīng)優(yōu)化后的模型最大位移處位移為2.36cm，滿足賽題要求。這說明，Abaqus的模擬對于模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要價值，可以為模型的設(shè)計提供受力合理、結(jié)構(gòu)簡潔的方案，以保證模型理論計算完備。其次，對于結(jié)構(gòu)模型而言，模型的制作也是關(guān)系模型承載能力的重要因素，尤其是材料節(jié)點(diǎn)處的粘結(jié)。