裝配式輸電塔結構模型設計中的選型與設計
——以2019 年浙江省大學生結構設計大賽賽題為例

盧巧玲LU Qiao-ling

（浙江廣廈建設職業(yè)技術大學，東陽 322100）

0 引言

大學生結構設計競賽對培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、團隊合作精神，提高大學生的創(chuàng)新設計能力、動手實踐能力和綜合素質作用顯著，已成為大學生素質教育和課外科技活動的一項重要內容[1]。結構模型設計通過構筑結構實體模型并對模型結構進行模擬加載，從中找出結構缺陷并完善結構設計，從而達到對結構優(yōu)化的效果。以竹材結構進行實驗最易于獲得和實現，Midas 軟件最易于進行結構計算和分析（以梁單元為主）。結構選型的更替過程反映出結構優(yōu)化過程的合理性、科學性和可行性，由受彎構件轉化為受拉構件，由綜合受力狀態(tài)轉變?yōu)楹唵问芰顟B(tài)。本文以2019 年浙江省大學生結構設計大賽的賽題“裝配式輸電塔結構設計與模型制作”為例。

1 結構選型

結構形式有剛架結構、桁架結構、薄殼結構、拱形結構、網殼結構、網架結構、薄膜結構、懸索結構、混合空間結構等多種形式，每種結構形式都有其各自的適用范圍及各自的特點和不足，所以要結合建筑結構設計的具體情況進行結構選型[2]。針對本賽題“裝配式輸電塔結構設計與模型制作”，我們從結構和載荷及荷載的靜動態(tài)加載和靜動態(tài)反應的內容進行了分析，選用的是桁架結構。

1.1 結構形式

我院參賽的模型采用裝配式空間桁架結構，模型的上部采用高度為220mm 的桁架結構，模型下部采用高度為780mm 的以四根格構柱為主體的空間桁架結構。在整個模型的設計中，主要是上部結構做了多次修改，主要有以下三種結構形式。

1.2 上部結構不同選型對比

1.2.1 選型1

上部結構高度220mm，采用豎向剛度與水平剛度較大的梁。（如圖1）

圖1 水平剛度足夠大的梁

此種結構，上部的梁要有足夠的剛度，才能保證加載時梁的抗壓和抗彎，這就要求梁的截面要足夠大，因為用材增加，模型的重量也比較大。

1.2.2 選型2

上部結構采用5×5mm 正方形截面的柔性梁，其上面、前面和后面增加中間支出80mm 的拉索對柔性梁進行加固，目的是用柔性梁的變形來減弱整體結構的變形。（如圖2）

圖2 柔梁加拉索

此種情況，我們設計的思路是允許允許“柔梁”發(fā)生變形，但只是一點點變形，當梁要產生大變形時，三面的拉索就繃緊，巧妙地將荷載傳遞到拉索上面，充分發(fā)揮竹材的抗拉能力，以此來減小梁的截面，在保證承載不變的前提下減輕上部結構自重。

1.2.3 選型3

上部結構中的5×5mm 正方形截面的柔性梁和附加的體系用一根長度為600mm 的只產生拉伸變形的細桿替代，與之連接的有兩根近似紡錘體的壓柱和兩根僅受拉伸2×2mm 截面的拉索連接，比中間模型中上部結構中的柔性梁部分大幅減重，并取得更強的上下結合結構的整體性。（如圖3）

圖3 實際效果圖

此種情況下，改變了前面兩種設計中梁要抗壓和抗彎的作用效果，改變了荷載的傳遞路徑，只要求梁抗拉就可以了，同時解決了前面兩種設計中梁下部連接節(jié)點在一級加載時偏載作用下容易崩裂開的問題，加載點直接把荷載傳遞到下部的紡錘體柱，結合四根拉索，解決了偏載時節(jié)點易破壞的問題，同時大幅減輕了上部結構自重，結構更加簡潔，模型制作起來也省時省力。此種設計，梁上的荷載由抗壓和抗彎轉變?yōu)榭估?，充分發(fā)揮了竹材抗拉的優(yōu)勢性能，物盡其用，這才是結構設計的魅力所在。

模型的構建運用midas 三維模型構筑軟件建立立體模型圖，通過軟件模擬加載分析模型的受力狀態(tài)，在盡可能節(jié)省材料的前提下對模型局部做加強處理，保證了結構的整體穩(wěn)定性和可靠性，實現“輕質高強”[3]。表1 中列出了3 種選型在相同荷載下最大內力、最大主應力和最大位移對比分析。表2 中列出了3 種選型優(yōu)缺點比較。

表1 相同荷載下的最大內力、最大主應力和最大位移比較表

表2 選型優(yōu)缺點比較表

綜合對比，根據三類選型的綜合分析和設計指標，最終選定選型3 為參賽方案。

2 內力分析

2.1 第一級荷載作用

經過分析，輸電塔結構的軸力圖如圖4（a）所示，輸電塔結構的彎矩圖如圖4（b）所示。

圖4 第一級荷載作用下的內力圖

由內力分析結果可以得知：在第一級荷載作用下輸電塔結構最大的軸力值為228N，發(fā)生在輸電塔結構的底部；在第一級荷載作用下輸電塔結構最小的軸力值為-333N，發(fā)生在輸電塔結構的底部。在第一級荷載作用下輸電塔結構最大的彎矩值為1250N·m，發(fā)生在輸電塔結構裝配處；在第一級荷載作用下輸電塔結構最小的彎矩值為-2010N·m，發(fā)生在輸電塔結構裝配處。

2.2 第二級荷載作用

經過分析，輸電塔結構的軸力圖如圖5（a）所示，輸電塔結構的彎矩圖如圖5（b）所示。

圖5 第二級荷載作用下的內力圖

由內力分析結果可以得知：在第二級荷載作用下輸電塔結構最大的軸力值為184N，發(fā)生在輸電塔結構的底部；在第二級荷載作用下輸電塔結構最小的軸力值為-348N，發(fā)生在輸電塔結構的底部。在第二級荷載作用下輸電塔結構最大的彎矩值為1311N·m，發(fā)生在輸電塔結構裝配處；在第二級荷載作用下輸電塔結構最小的彎矩值為-1795N·m，發(fā)生在輸電塔結構裝配處。

3 變形分析

3.1 第一級荷載作用

經過分析，輸電塔結構的變形情況如圖6 所示。

圖6 第一級荷載作用下變形圖

由變形分析結果可以得知：在第一級荷載作用下輸電塔結構最大的變形值為16.8mm，發(fā)生在輸電塔的頂部。

3.2 第二級荷載

經過分析，輸電塔結構的變形情況如圖7 所示。

圖7 第二級荷載作用下變形圖

由變形分析結果可以得知：在第二級荷載作用下輸電塔結構最大的變形值為26.5mm，發(fā)生在輸電塔的頂部。

4 承載力分析

根據竹材順紋抗拉強度60MPa，抗壓強度30MPa，經過計算，其主要桿件的應力如表1 所示。

表1 輸電塔結構主要桿件應力

綜合輸電塔結構在第一級、第二級荷載作用下的內力和變形分析，可以得到方案3 設計的輸電塔結構可以承受第一級和第二級荷載作用。

5 連接形式

模型要求采用裝配式結構，連接主要分為裝配式整體連接和局部節(jié)點連接。

5.1 裝配式整體連結方式

上下部分的連接方式，采用榫卯結構，榫卯是榫頭和卯口相互咬合、搭接而形成的一種連接形式?！伴尽笔菢嫾钩龅牟糠?；“卯”是構件凹進去的部分，也稱為“榫眼”。模型的下部空間桁架結構頂部的柱頂預留出足夠長度的榫與上部相應部分的卯采用中國木質建筑通常的卯榫結構連接，并考慮結構的荷載是從上部桁架結構向下傳遞，故在四根柱上相應位置留出用竹片制作的“摁扣”，以保證上部結構和下部結構連接的整體性，同時也保證荷載從上向下傳遞的連續(xù)性、可行性和可靠性。

5.2 局部連結方式

在空間桁架體系的各個構件聯結均采用桿件末端提前切割角度，最后進行拼接，桿件的縫隙間用竹粉進行填充，以保證各個節(jié)點均成為理想的剛節(jié)點。

5.3 格構柱內格點聯接方式

格構柱內按照等距格構布置，以增加抗剪能力和提高穩(wěn)定性外在節(jié)點處增加格構塊的長度，突出體現“強柱弱梁、強剪弱彎、強化節(jié)點、強化聯結”的結構特點。

5.4 有效措施

①對重要主體柱的柱體采用“L”形“等邊角鋼”型格構形式，既減輕了重量，又保證了結構橫截面整體的慣性矩為最大值，從而最大限度地降低模型危險截面最大工作應力。②對加載點臨近的受壓桿件，采用“紡錘體”形狀的結構形式，既減輕了重量，又保證了壓桿的穩(wěn)定性。③在上部最初的“柔梁”和拉索加勁帶的基礎上，將受載荷作用后產生彎曲變形的構件，轉換為上部的受載后只產生拉伸變形的構件，進而使上部結構的重量大幅度地降低。④在上部結構與下部結構連接的位置采取增加承臺長度的作法，從而降低“紡錘體”壓桿的長度，進一步提高其穩(wěn)定性和減輕重量。⑤在“紡錘體”的端部，增加一根細小的起抗拉作用的拉條，有效的解決了一級加載時這個節(jié)點受拉破壞的問題。⑥在主體柱下部沿加載面設置四根小拉帶，有效的解決了二級加載時偏載作用結構容易發(fā)生受扭破壞的問題，能起到加強底部強度和剛度的關鍵作用。

6 結構分析總結

該設計充分考慮實體結構的特點以及材料的性能，在充分滿足功能的前提下，保證結構在一定的荷載作用下不發(fā)生破壞，同時力爭荷載與模型自重的比值最大，綜合這幾方面的考慮，對模型進行了優(yōu)化，并利用給定模型材料的特點，竹條要充分利用其抗拉能力，膠水連接硬化后屬于剛性節(jié)點，所以在結構中要充分利用材料的力學性能。在整體結構中，要考慮到梁與柱受力的不同，要根據其破壞的特點，對每根桿件進行設計。利用Midas 三維模型構筑軟件建立立體模型圖，分析結構優(yōu)化后模型的特點，確保模型破壞前荷重比達到最大。