基于有限元求解的輸電塔上下柱節(jié)點(diǎn)分析研究

陳振　劉俊豪

摘 要：采用ANSYS有限元分析軟件對該節(jié)點(diǎn)建立三維有限元模型，進(jìn)行了靜力分析，以得到該類結(jié)構(gòu)體系在靜力荷載作用下的受力性能。結(jié)果表明：支座底板下加勁肋下部的加強(qiáng)環(huán)能有效降低節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力幅值，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力發(fā)生在加勁肋下部的加強(qiáng)環(huán)與下柱相交處，并滿足強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：輸電塔;節(jié)點(diǎn);有限元;靜力分析

中圖分類號：TM75;TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0185-04

Analysis and research of transmission tower upper and lower column joints based on finite element solution

Abstract： In this paper， a three-dimensional finite element model of the joint is established by using ANSYS finite element analysis software， and the static analysis is carried out. The results show that the reinforcement ring at the lower part of the stiffener under the base plate of the support can effectively reduce the stress amplitude in the joint area the maximum stress of the joint occurs at the intersection of the stiffener ring and the lower column， which meets the strength requirements.

Key words： transmission tower;node;finite element;static analysis

國內(nèi)外的變電站構(gòu)架大多以型鋼為主材。圓形鋼管的力學(xué)性能優(yōu)異且經(jīng)濟(jì)性良好，故由多個(gè)支管組成的圓鋼管空間節(jié)點(diǎn)便成為變電站構(gòu)架中最普遍的節(jié)點(diǎn)形式。但變電站構(gòu)架中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與受力均較復(fù)雜，必須通過試驗(yàn)或有限元進(jìn)行受力分析。

目前已有較多學(xué)者對鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了數(shù)值分析。例如，有采用屈服線模型對鋼管節(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行了簡化理論分析，計(jì)算獲得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好[1]。有對輸電塔十字插板連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證了十字插板連接節(jié)點(diǎn)受力性能良好，但主管管壁與節(jié)點(diǎn)板及頂部環(huán)向肋板交匯處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯[2]。有對鋼管輸電塔環(huán)型加肋節(jié)點(diǎn)極限承載力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)除主管壁厚、管徑、節(jié)點(diǎn)板長度、現(xiàn)時(shí)狀態(tài)下屈服區(qū)域內(nèi)中截面特征點(diǎn)撓度外，鋼管環(huán)型加肋節(jié)點(diǎn)的承載力還受其他因素的影響，包括環(huán)型加肋板的高度、厚度以及節(jié)點(diǎn)板連接的單雙側(cè)，這主要是因?yàn)榄h(huán)型加肋板使節(jié)點(diǎn)的承載力有所提高，并且減少了鋼管與節(jié)點(diǎn)板和環(huán)板連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]。

復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能與整體結(jié)構(gòu)的承載力息息相關(guān)，但是實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往僅基于計(jì)算假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析及構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算，未對具體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相對深入的分析研究。此外，對于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的受力分析，沒有恒定的構(gòu)造與計(jì)算模塊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)研究的構(gòu)造與方法都不同。因此，本文對某變電站構(gòu)架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，以探究并分析節(jié)點(diǎn)的受力性能。

1 節(jié)點(diǎn)概況

1.1 節(jié)點(diǎn)形式

本文選取某變電站構(gòu)架的角部輸電塔上下柱變截面處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，該節(jié)點(diǎn)由鋼管外節(jié)點(diǎn)板、豎向加勁肋、鋼管內(nèi)肋板等組成，其構(gòu)造形式較為復(fù)雜。該節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)方向的三角形桁架相連，存在上柱與桁架傳遞過來的荷載，受力較為復(fù)雜。該節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖1所示。節(jié)點(diǎn)板和加勁肋采用Q235B鋼材，管件的規(guī)格如表1所示。

1.2 節(jié)點(diǎn)荷載

節(jié)點(diǎn)所在的構(gòu)架處在整個(gè)構(gòu)筑物的角上，節(jié)點(diǎn)承接互成90°的桁架傳來的荷載，如圖2所示。

2 節(jié)點(diǎn)有限元受力分析

2.1 節(jié)點(diǎn)有限元模型的假設(shè)

節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要通過焊接的方式連接組成，無相對運(yùn)動(dòng)的零部件，因此，本文將基于以下3點(diǎn)假設(shè)來建立節(jié)點(diǎn)的有限元模型：

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接完全可靠，結(jié)構(gòu)構(gòu)件間已全部焊透，不存在焊接殘余應(yīng)力，在分析時(shí)可忽略焊腳高度對結(jié)構(gòu)的影響;

（2）忽略支座結(jié)構(gòu)中任何安裝和制造變形，僅依據(jù)圖紙的理想結(jié)構(gòu)來建模;

（3）鋼板與鋼管壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它方向的尺度，可不考慮沿厚度方向的應(yīng)力。

2.2 單元類型與約束條件

由于此節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，模型尺寸較大，同時(shí)保證關(guān)鍵部位計(jì)算的精確度，根據(jù)殼單元的特性，在建立幾何模型時(shí)，可采用其中性面建立。在這里，采用了ANSYS軟件中的殼單元SHELL181，該單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。由于結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性較多，劃分網(wǎng)格時(shí)優(yōu)先采用映射網(wǎng)格劃分，共劃分了殼單元18 706個(gè)，節(jié)點(diǎn)18 488個(gè)，如圖3所示。

考慮本項(xiàng)目中上下柱相交處節(jié)點(diǎn)有較大荷載，且節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布是研究的重點(diǎn)。由于選用輸電塔中的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)下部可模擬為固接邊界條件，故在下柱遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處設(shè)置為固定約束。

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果

通過ABAQUS軟件后處理模塊，采用大型通用CAE軟件ANSYSWorkbench網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如下，其中坐標(biāo)系如圖3所示?？傻玫焦?jié)點(diǎn)變形、應(yīng)力云圖、位移等結(jié)果。

2.3.1 變形結(jié)果

在設(shè)計(jì)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)總變形分布如圖4所示，最大變形發(fā)生在在節(jié)點(diǎn)底板短直邊下的加勁肋處，總位移與各方向最大的位移如表2所示。

2.3.2 應(yīng)力結(jié)果

（1）下柱的應(yīng)力分布云圖。如圖5所示為下柱處的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于加勁肋的下部加強(qiáng)環(huán)處，其值為149 MPa;

（2）支座底板的應(yīng)力分布云圖。如圖6所示為支座底板處的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于加勁肋的下部加強(qiáng)環(huán)處，其值為49.3 MPa;

（3）加勁肋的應(yīng)力分布云圖。如圖7所示為加勁肋的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于底邊短直邊下的加勁肋處，其值為70.6 MPa。

（4）上柱的應(yīng)力分布云圖。如圖8所示為上柱的Mises應(yīng)力等值線分布云圖，其中最大應(yīng)力位于底邊短直邊下的加勁肋處，其值為3.2 MPa。

整個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大值在下柱，其應(yīng)力分布云圖如圖所示，最大應(yīng)力位于加勁肋的下部加強(qiáng)環(huán)處，其值為149 MPa。

3 結(jié)語

本文以輸電鐵塔鋼節(jié)點(diǎn)作為研究對象，因節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，不易使用常規(guī)受力分析，因此采用ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元分析受力分析。

其中，采用殼單元SHELL181進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)不同方向的各自的變形和節(jié)點(diǎn)總的變形以及節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力的所在處，可得以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理。通過分析可知節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下，各區(qū)域應(yīng)力未超過節(jié)點(diǎn)材料的屈服強(qiáng)度，整體應(yīng)力水平較低，且節(jié)點(diǎn)區(qū)并未出現(xiàn)較大的變形;

（2）最大應(yīng)力發(fā)生支座底板下的加勁肋下部的加強(qiáng)環(huán)與下柱相交處，建議此加強(qiáng)環(huán)加大，延伸至下部兩柱間的節(jié)點(diǎn)板處，以保證節(jié)點(diǎn)的安全可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]余世策，孫炳楠，葉尹，等.高聳鋼管結(jié)點(diǎn)極限承載力的試驗(yàn)研究與理論分析[J].工程力學(xué)，2004，21（3）：155-161.

[2]金曉華，傅俊濤，鄧洪洲.輸電塔十字插板連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2006（5）：41-44.

[3]劉紅軍，李正良，李茂華.鋼管輸電塔環(huán)型加肋節(jié)點(diǎn)極限承載力研究[J].工程力學(xué)，2010，27（10）：65-73.

[4]白強(qiáng)，曾德森，舒愛強(qiáng)，等.鋼管輸電塔環(huán)形加肋節(jié)點(diǎn)承載力分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，42（2）：103-106.

[5]GB50017─2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

收稿日期：2021-03-21;修回日期：2022-04-10

作者簡介：陳 振（1995-），男，碩士，研究方向：建筑與土木工程。