1 000 kV交流特高壓鋼管塔梁桿有限元分析研究

周建軍，蔣 銳，王夢杰

（中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

目前，國內(nèi)常用輸電線路桿塔分析軟件一般采用空間桁架位移法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，該方法基于桿塔構(gòu)件為桿單元，節(jié)點(diǎn)為理想鉸接的假定，屬于彈性分析方法。在經(jīng)過大量高壓、超高壓和特高壓輸電線路工程實(shí)踐中，已證明了該方法計(jì)算結(jié)果的安全性和可靠性。隨著電壓等級的升高，鋼管塔越來越多地應(yīng)用到特高壓輸電線路中[1-2]。陳紹蕃等曾對剛接節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力影響進(jìn)行研究，認(rèn)為在剛架體系中次應(yīng)力影響不大[3]。但在1 000 kV交流特高壓同塔雙回路鋼管塔中，由于負(fù)荷大、結(jié)構(gòu)高聳、柔度大，主材剛度比腹桿要大很多，不可避免地會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生次應(yīng)力，同時因?yàn)殇摴芩慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的連接主要采用焊接、法蘭盤等剛度較大的連接方式，使桁架桿件在節(jié)點(diǎn)處受到較大強(qiáng)度的約束，在桿端產(chǎn)生次彎矩和次應(yīng)力。次應(yīng)力的出現(xiàn)，造成了構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力的不均勻，使得桿件及節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生破壞。因此，在桿件計(jì)算時，需要考慮彎矩、偏心和幾何非線性的共同影響。

按傳統(tǒng)簡化為理想桁架結(jié)構(gòu)按線彈性理論進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，其結(jié)果勢必與桿塔實(shí)際受力狀態(tài)有一定差異，造成選材不夠準(zhǔn)確，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與計(jì)算假定不相符。因此，有必要研究更為準(zhǔn)確的桿塔結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法。本文通過梁桿單元有限元模型計(jì)算來分析次彎矩對鋼管結(jié)構(gòu)的受力影響。

1 梁桿有限元模型的建立

本文選取在建的1 000 kV駐馬店—武漢輸變電工程同塔雙回線路SZ3022（全高110.7 m）鋼管塔進(jìn)行梁桿混合整塔有限元建模分析。

ANSYS和ABAQUS作為通用有限元計(jì)算平臺，對于復(fù)雜的工程問題和非線性分析，在設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。使用該平臺可以完成包括靜力分析、動力分析、黏彈性響應(yīng)分析等多種類型的復(fù)雜計(jì)算分析。

自立式鐵塔內(nèi)力分析TTA（transmission tower analysis）程序在輸電線路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在輸電鐵塔桿單元計(jì)算方面具有建模簡便、便于數(shù)據(jù)處理的優(yōu)點(diǎn)。本文采用通用有限元軟件分別建立梁桿單元模型，采用TTA程序建立桿單元模型，在相同的設(shè)計(jì)邊界條件下進(jìn)行內(nèi)力分析。

1.1 梁桿模型參數(shù)

1 000 kV駐馬店—武漢輸變電工程同塔雙回線路SZ3022鋼管塔為鼓形排列的同塔雙回路直線型桿塔，其主要受力構(gòu)件均采用了鋼管構(gòu)件，部分輔助構(gòu)件、橫擔(dān)斜材及身部部分隔面構(gòu)件采用了角鋼構(gòu)件。連接節(jié)點(diǎn)采用焊接和螺栓連接，主要受力鋼管構(gòu)件均采用對焊鍛造法蘭連接，部分斜材及輔材采用柔性法蘭連接。斜材和主材采用槽形插板連接；交叉斜材交點(diǎn)開斷處及橫擔(dān)下平面主材和塔身主材連接采用十字插板連接；橫擔(dān)上平面主材和塔身采用U形插板連接。其中鍛造法蘭、槽形插板、十字形插板、U形插板均為標(biāo)準(zhǔn)部件。所有的連接形式如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 高頸法蘭

圖2 高頸鍛造法蘭

圖3 柔性法蘭

為了研究次彎矩的影響，在梁桿有限元模型中，主材、橫隔面圈材采用梁單元，塔身鋼管斜材及交叉材采用桿單元，角鋼按桿單元考慮。

在有限元模型中，梁單元選用基于Timoshenko梁理論的兩節(jié)點(diǎn)空間梁單元，考慮了剪切變形的影響，每個節(jié)點(diǎn)有6個或7個自由度（考慮翹曲），適用于線形、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變非線形的分析。三維桿單元每個端節(jié)點(diǎn)包含X、Y、Z位移方向的3個自由度，適用于模擬兩端鉸接的空間桿件，各桿件只承受軸向力，不承受彎矩和剪切力等。

鐵塔腿部通過地腳螺栓與基礎(chǔ)連接，塔腳板與基礎(chǔ)間的壓力和摩擦力，以及地腳螺栓的拉力，可使鐵塔與基礎(chǔ)之間的連接接近剛性連接。因此，可假定基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的6個自由度全部約束，采用剛性連接的形式進(jìn)行模擬。

1.2 模型荷載參數(shù)

1.2.1 荷載取值

根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，考慮設(shè)計(jì)風(fēng)向與桿塔呈0°、45°、60°、90°等4個方向，各方向風(fēng)向風(fēng)荷載根據(jù)規(guī)范要求取值[4]。

1.2.2 荷載組合

根據(jù)規(guī)范要求，計(jì)算桿塔在線路正常運(yùn)行、斷線、不均勻覆冰和安裝工況下的荷載組合。荷載組合系數(shù)為：運(yùn)行工況1.0；事故工況0.9；安裝工況0.9；不均勻覆冰工況0.9。

1.3 梁桿模型建立

結(jié)合上述選定的構(gòu)件參數(shù)和荷載參數(shù)，根據(jù)該塔的幾何尺寸和構(gòu)件規(guī)格建立的梁桿混合單元有限元模型如圖4所示[5]。

圖4 整塔單線圖及梁桿混合有限元模型

2 梁桿模型與桿單元模型計(jì)算對比分析

選取部分典型構(gòu)件進(jìn)行梁桿模型與桿單元模型計(jì)算結(jié)果的綜合比較，典型構(gòu)件如圖5（加粗部分主材）所示。

圖5 綜合計(jì)算比較構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)示意圖

選取3根桿件進(jìn)行柱狀圖（見圖6—圖9）對比分析，分別為：上橫擔(dān)下平面主材、變坡處塔身主材、塔腿主材。

圖6 最大拉力綜合比較

圖7 最大壓力綜合比較

圖8 最大彎矩綜合比較

圖9 最大應(yīng)力綜合比較

從梁桿模型（模型圖略）與TTA計(jì)算綜合比較結(jié)果可以看出，軸力的變化趨勢均是從上至下逐漸增大的，其中地線支架及上橫擔(dān)的桿件軸力采用梁桿模型相對誤差在0.5%左右，中、下橫擔(dān)的桿件軸力采用梁桿模型計(jì)算要小3%左右，塔身主材及斜材的軸力采用梁桿模型計(jì)算要小1%～2%。因此，采用桿單元和梁桿混合單元模型，鋼管塔主材的軸力大小相當(dāng)。從控制工況來看，除個別桿件稍有區(qū)別外，大部分的桿件在幾種計(jì)算模型中軸力控制工況基本一致。

全塔的主材穩(wěn)定應(yīng)力平均值與TTA相比，梁桿模型計(jì)算平均結(jié)果大8%左右。大部分穩(wěn)定應(yīng)力小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，只有極少桿件超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度約1%～3%。

在各工況作用下，在下橫擔(dān)以下的主材彎矩比較大，特別是塔腿、靠近塔腿的主材、變坡處和各層橫擔(dān)主材節(jié)點(diǎn)處。其中，鋼管塔主材桿端彎矩對塔身變坡處及塔身下段靠近塔腿處影響最大，彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力占到總應(yīng)力的29%左右。而塔身變坡處上下主材彎矩，差值在1%以內(nèi)，可見變坡處隔面和斜材對主材彎矩影響較小。由此可以看出，桿單元模型的計(jì)算結(jié)果誤差較大，梁桿模型更加符合實(shí)際情況。

從塔身彎矩應(yīng)力值的分布來看，壓彎構(gòu)件最大彎矩應(yīng)力均發(fā)生在桿件的兩端，說明強(qiáng)度應(yīng)力最大值位于桿件的兩端，而穩(wěn)定應(yīng)力通常發(fā)生在主材桿件相對較弱的中部。

另外，由于塔身變坡處主材彎矩?zé)o反彎點(diǎn)，使得變坡處主材兩端和中部均承受較大的彎矩，因此變坡處主材在設(shè)計(jì)時要綜合考慮強(qiáng)度應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力的影響，變坡外的塔身主材則著重考慮穩(wěn)定應(yīng)力的影響。

兩種模型的節(jié)點(diǎn)位移比較如圖10所示。由圖10可知，兩種模型的節(jié)點(diǎn)位移變化規(guī)律一致，最大綜合位移發(fā)生在塔頭地線掛點(diǎn)處，其整體綜合位移分布從塔頭到塔腳逐漸遞減，塔腳部分位移最小?？刂乒r大部分為大風(fēng)工況，部分為斷線工況。雖然變坡處較之相鄰上部節(jié)點(diǎn)位移稍微有所增大，但由于總體位移仍然較小，因此不需要考慮變形的二階效應(yīng)影響。

圖10 節(jié)點(diǎn)位移比較圖

需特別注意的是，本文對于變形的比較主要是為了研究鐵塔整體的變形規(guī)律，因此各個軟件的計(jì)算是在同等條件下完成的，并沒有完全按照規(guī)范要求的采用長期荷載效應(yīng)組合情況（無冰、風(fēng)速5 m/s及年平均氣溫）進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)論

由于目前常用的鐵塔結(jié)構(gòu)分析方法采用桿單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)其對于作用荷載大、塔高體重、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的鋼管塔計(jì)算精度欠佳。本文采用更加符合實(shí)際構(gòu)件受力原理的梁桿有限元模型進(jìn)行整塔分析，得到主要結(jié)論如下。

a）梁桿模型和桿單元模型計(jì)算所得鋼管塔主材的軸力大小相當(dāng)，差值在0.5%～3%之間。

b）下橫擔(dān)以下的主材彎矩較大，特別是塔腿、靠近塔腿的主材、變坡處和各層橫擔(dān)主材節(jié)點(diǎn)處。其中，塔身變坡處主材受彎矩影響最大，該處彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力占到總應(yīng)力的29%左右。因此可以看出，桿單元模型的計(jì)算結(jié)果誤差較大，梁桿單元模型計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)情況，建議后續(xù)鋼管塔結(jié)構(gòu)采用梁桿單元模型進(jìn)行計(jì)算選材。

c）主材構(gòu)件兩端的強(qiáng)度應(yīng)力最大，而穩(wěn)定應(yīng)力則主要出現(xiàn)在中部，因此桿件選材時，應(yīng)綜合考慮其受力狀態(tài)。

d）梁桿模型和桿單元模型的節(jié)點(diǎn)位移變化規(guī)律一致，桿塔頂部位移最大，從桿塔頂部到塔腿處位移逐步遞減，塔腿部分位移最小?？刂乒r大部分為大風(fēng)工況，部分為斷線工況，由于總體位移較小，因此不需要考慮變形的二階效應(yīng)影響。

e）采用梁桿單元模型進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)性，同時各構(gòu)件安全冗余度趨同，在塔材耗量相當(dāng)?shù)那闆r下，一定程度地提高了桿塔的承載能力。從計(jì)算精度和工程經(jīng)濟(jì)性來看，采用梁桿有限元模型的結(jié)構(gòu)分析方法將是復(fù)雜鐵塔結(jié)構(gòu)分析的必然選擇。