基于有限元求解的輸電塔上下柱節(jié)點分析研究

陳 振，劉俊豪

（1.廣東保利城市發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣州市設(shè)計院，廣東 廣州 510000）

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)濟性良好，故由多個支管組成的圓鋼管空間節(jié)點便成為變電站構(gòu)架中最普遍的節(jié)點形式。但變電站構(gòu)架中的節(jié)點構(gòu)造與受力均較復(fù)雜，必須通過試驗或有限元進行受力分析。

目前已有較多學(xué)者對鋼管節(jié)點的受力性能進行了數(shù)值分析。例如，有采用屈服線模型對鋼管節(jié)點的極限承載力進行了簡化理論分析，計算獲得的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。有對輸電塔十字插板連接節(jié)點強度進行分析，驗證了十字插板連接節(jié)點受力性能良好，但主管管壁與節(jié)點板及頂部環(huán)向肋板交匯處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。有對鋼管輸電塔環(huán)型加肋節(jié)點極限承載力進行了研究，發(fā)現(xiàn)除主管壁厚、管徑、節(jié)點板長度、現(xiàn)時狀態(tài)下屈服區(qū)域內(nèi)中截面特征點撓度外，鋼管環(huán)型加肋節(jié)點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)點板連接的單雙側(cè)，這主要是因為環(huán)型加肋板使節(jié)點的承載力有所提高，并且減少了鋼管與節(jié)點板和環(huán)板連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

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

1 節(jié)點概況

1.1 節(jié)點形式

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)點進行分析，該節(jié)點由鋼管外節(jié)點板、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)點與兩個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)點的構(gòu)造如圖1所示。節(jié)點板和加勁肋采用Q235B鋼材，管件的規(guī)格如表1所示。

圖1 節(jié)點設(shè)計圖Fig.1 Node design diagram

表1 管件規(guī)格Tab.1 Specification of pipe fittings

1.2 節(jié)點荷載

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

圖2 節(jié)點荷載Fig.2 Node load

2 節(jié)點有限元受力分析

2.1 節(jié)點有限元模型的假設(shè)

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

（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）鋼板與鋼管壁厚遠遠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)點構(gòu)造復(fù)雜，模型尺寸較大，同時保證關(guān)鍵部位計算的精確度，根據(jù)殼單元的特性，在建立幾何模型時，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個節(jié)點數(shù)，每個節(jié)點有6個自由度。由于結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性較多，劃分網(wǎng)格時優(yōu)先采用映射網(wǎng)格劃分，共劃分了殼單元18 706個，節(jié)點18 488個，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

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

2.3 有限元計算結(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)進行了分析計算，其計算結(jié)果如下，其中坐標系如圖3所示?？傻玫焦?jié)點變形、應(yīng)力云圖、位移等結(jié)果。

2.3.1 變形結(jié)果

在設(shè)計荷載作用下，節(jié)點總變形分布如圖4所示，最大變形發(fā)生在在節(jié)點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。

圖4 總變形分布圖Fig.4 Total deformation distribution

表2 各方向最大位移值Tab.2 Maximum displacement in all directions

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環(huán)處，其值為149 MPa；

圖5 下柱的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of the lower column

（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環(huán)處，其值為49.3 MPa；

圖6 支座底板的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of stress distribution of support base plate

（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。

圖7 加勁肋的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of stiffeners

（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。

圖8 上柱的應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of stress distribution of the upper column

整個節(jié)點的應(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環(huán)處，其值為149 MPa。

3 結(jié)語

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

其中，采用殼單元SHELL181進行網(wǎng)格劃分，最終計算得到節(jié)點不同方向的各自的變形和節(jié)點總的變形以及節(jié)點最大應(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)點在設(shè)計荷載下，各區(qū)域應(yīng)力未超過節(jié)點材料的屈服強度，整體應(yīng)力水平較低，且節(jié)點區(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環(huán)與下柱相交處，建議此加強環(huán)加大，延伸至下部兩柱間的節(jié)點板處，以保證節(jié)點的安全可靠性。