耐候鋼桿塔真型試驗與數(shù)值仿真研究

張金鋒，劉 軍，楊 進(jìn)，汪志強(qiáng)，李 鑫

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061；2.安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230022；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

輸電鐵塔作為電網(wǎng)中重要組成部分，也是重要的生命線工程，直接關(guān)系到人民的生活質(zhì)量和國家的各項工程建設(shè)[1]。目前，我國輸電鐵塔主要采用熱浸鍍鋅防腐，鍍鋅過程容易產(chǎn)生大氣和土壤污染，危害人員身心健康。20世紀(jì)五六十年代，美國和日本研發(fā)了一種高耐腐蝕性能鋼材，其耐腐蝕性能是普通鋼材的2～8倍[2,3]，并成功將免鍍鋅的耐候鋼材應(yīng)用在輸電鐵塔上[4]。近年來，國內(nèi)開始逐步開展耐候鋼研發(fā)工作，在耐候鋼生產(chǎn)、鐵塔設(shè)計和制造、工程應(yīng)用上取得了一系列成果，2009年在廈門220 kV梧侶-內(nèi)官線路中完成2基冷彎耐候角鋼塔試點應(yīng)用[5]，2018年在安徽亳州夏湖-高堂110 kV輸電線路工程成功應(yīng)用62基耐候角鋼塔[6]。

為保證新設(shè)計的鐵塔能夠滿足工程應(yīng)用要求，我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空輸電線路桿塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》明確了采用新材料或新結(jié)構(gòu)形式需進(jìn)行試驗，以驗證其承載能力是否達(dá)到設(shè)計要求[7]。真型試驗是檢驗桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)確性的重要手段[8]，但往往周期長、成本高，而采用數(shù)值仿真研究方法可避免這些缺點[9,10]。本文采用試驗與數(shù)值仿真相結(jié)合的研究方法，對8種工況下耐候鋼桿塔構(gòu)件應(yīng)變及整體位移進(jìn)行對比分析，深入研究了不同荷載作用下輸電桿塔受力性能及變形特性，這對于提高耐候鋼鐵塔的設(shè)計水平，保障線路安全運行具有較強(qiáng)的理論價值和工程意義。

1 桿塔真型試驗概況

為驗證耐候鋼桿塔在各種荷載組合工況下，桿塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及計算結(jié)果的正確性，檢驗輸電塔節(jié)點構(gòu)造的合理性，摸清各種受力狀態(tài)及變形影響，特進(jìn)行現(xiàn)場真型試驗與數(shù)值仿真驗證，以確保塔的整體強(qiáng)度、剛度能夠滿足規(guī)范和工程要求，達(dá)到線路安全可靠運行的目的。本試驗在中國電力科學(xué)院良鄉(xiāng)試驗基地完成，現(xiàn)場真型試驗如圖1所示。

圖1 真型試驗現(xiàn)場照片

1.1 試驗塔設(shè)計條件

試驗塔的設(shè)計基本參數(shù)見表1。

表1 試驗塔設(shè)計條件

1.2 試驗荷載組合

根據(jù)《架空輸電線路桿塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》相關(guān)規(guī)定，在正常運行、安裝運維、不均勻覆冰和事故斷線四大類基本工況中僅各挑選幾個代表工況進(jìn)行試驗，具體試驗工況見表2。

表2 試驗工況

由于加荷塔的加荷點位置所限，部分加荷點的位置與其對應(yīng)的被試塔的荷載位置不一致，這時加荷繩將產(chǎn)生斜向荷載，出現(xiàn)水平或垂直分力。為保證被試塔各荷載作用點所受荷與試驗方案的要求相符，試驗前將各工況設(shè)計荷載值換算到對應(yīng)的加荷鋼絲繩所受荷載(力傳感器示值)，稱為試驗荷載。此外，對于部分有角度偏離的斜向加荷點的荷載值做了必要的調(diào)整和換算。

1.3 加載方式及測點布置

工況1至工況7按0%—50%—75%—90%—95%—100%—50%—0%的試驗荷載進(jìn)行分級加載，每級荷載持續(xù)1分鐘后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。工況8為超載工況，先分級加載到100%試驗載荷，再以每級5%的試驗荷載遞增，直至試驗鐵塔破壞。

試驗載荷通過連有測力傳感器的鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，將水平荷載、導(dǎo)線張力荷載及垂直荷載等效為橫向荷載、縱向荷載及垂直荷載，逐步施加到桿塔各指定荷載作用點上。位移測量采用徠卡全站儀，應(yīng)變測量采用靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀。試驗塔測點布置圖如圖2所示，u1～u12為位移測點，對每個測點橫向位移、縱向位移和垂直位移進(jìn)行檢測；s1～s25為應(yīng)變測點，應(yīng)變片的貼片方式如圖3所示，其中s22和s24每個測點貼6個應(yīng)變片，其余測點貼1個應(yīng)變片。

圖2 桿塔測點布置

圖3 測點應(yīng)變片布置

2 桿塔數(shù)值模型建立

采用通用有限元軟件ANSYS建立模型。輸電鐵塔通常采用角鋼組合而成，主材與斜材一般采用連接板和螺栓連接，連接節(jié)點具有一定的剛度，主材與斜材同時承受軸力、剪力、彎矩及扭矩；輔助材與主材或斜材直接通過螺栓連接，一般只受軸力。根據(jù)結(jié)構(gòu)桿件的受力特點，采用梁-桁混合模型建立桿塔數(shù)值模型。對于輸電塔上需要承受彎矩的桿件如主材及斜材，選用梁單元BEAM188，每300 mm 劃分1個單元；輔材只承受軸力，選用桿單元LINK180 來模擬，每根輔材劃分1個單元。整體模型共1 097個單元、430個節(jié)點。主材與斜材連接采用剛性連接，輔材與主材或斜材連接采用鉸接，塔腳底部采用剛性約束。

模型所有構(gòu)件材料的彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，主材與斜材采用Q415NH鋼，設(shè)計強(qiáng)度值f=356 MPa，輔助材采用Q355NH鋼，設(shè)計強(qiáng)度值f=305 MPa。試驗塔數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 試驗塔數(shù)值模型

3 試驗與計算結(jié)果分析

結(jié)合桿塔真型試驗數(shù)據(jù)及數(shù)值仿真分析結(jié)果，對二者應(yīng)變及位移進(jìn)行對比分析，可為后續(xù)桿塔的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

3.1 桿塔應(yīng)變分析

為考察塔腿及腿部橫隔位置應(yīng)變情況，選取圖2中應(yīng)變監(jiān)測點s22和監(jiān)測點s24進(jìn)行應(yīng)變分析，應(yīng)變比較時采用計算軸向應(yīng)變結(jié)果與試驗測試結(jié)果中的100%加載應(yīng)變測試結(jié)果減去卸載后(0%)的殘余應(yīng)變后的彈性應(yīng)變的均值進(jìn)行對比。各工況下真型試驗所測數(shù)據(jù)及數(shù)值計算所得結(jié)果見表3。

由表3可知，監(jiān)測點s22和監(jiān)測點s24的應(yīng)變最小值均位于工況2處，最大值位于工況8處。監(jiān)測點s22的應(yīng)變最大值為-1036.2，最小值為-510.5；監(jiān)測點s24的應(yīng)變最大值為-997，最小值為-513.0。工況8測點s22和s24應(yīng)變均達(dá)到最大，證明將其確定為超載工況是合理的。鐵塔應(yīng)變計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果的最大偏差為15.46%，最小值為1.01%，各工況下桿塔應(yīng)變數(shù)值仿真計算值與試驗值吻合性較好。

表3 桿塔應(yīng)變試驗及計算結(jié)果

3.2 桿塔位移分析

選取圖2中位移監(jiān)測點u1(塔頂)進(jìn)行位移分析，其x方向、y方向、z方向的試驗值和計算值見表4～表6。

表4 監(jiān)測點u1 x方向位移試驗及計算結(jié)果

表5 監(jiān)測點u1 y方向位移試驗及計算結(jié)果

表6 監(jiān)測點u1 z方向位移試驗及計算結(jié)果

由表4可知，監(jiān)測點u1 試驗值x方向位移最大值為277 mm，位于工況7；最小值為-13 mm，位于工況3。

由表5可知，監(jiān)測點u1 試驗值y方向位移最大值為193 mm，位于工況3；最小值為1 mm，位于工況6。

由表6可知，監(jiān)測點u1 試驗值z方向位移最大值為-34 mm，位于工況6；最小值為-12 mm，位于工況4。

桿塔位移計算值與試驗值偏差最大值為448.1%，位于工況3；最小值為0.9%，位于工況6。部分試驗值與計算值存在較大偏差，產(chǎn)生偏差可能有以下原因：

(1) 鐵塔構(gòu)件之間多采用螺栓連接，試驗加載可造成螺栓滑移，而數(shù)值仿真未考慮此滑移。

(2) 鐵塔試驗過程中的所有工況下的位移測量值均為單次測量，存在較大的測量誤差。

為考察試驗塔整體變形情況，以工況8獲得的試驗數(shù)據(jù)為分析對象，試驗塔整體位移如圖5所示。

圖5 試驗塔整體橫向位移

從圖5中可以看出，工況8各荷載等級下試驗塔橫向位移以測點u3(測點高度15.5 m處)為界呈現(xiàn)上大下小的特點，在測點u3存在突變。荷載由50%增加到130%時，測點u1橫向水平位移由112 mm增加到388 mm，增加246.6%；測點u2橫向水平位移由78 mm增加到228 mm，增加192.3%；測點u3橫向水平位移由23 mm增加到71 mm，增加208.7%；測點u4橫向水平位移由5 mm增加到9 mm，增加僅80%。測點u3以上變形較大，以下變形較小。這主要是鐵塔在測點u3以上塔身坡度小(剛度相對小)引起的變形突變。

3.3 極限承載分析

試驗塔按照工況8加載至100%試驗荷載后，再按每級5%試驗荷載遞增，當(dāng)荷載加載至140%時，試驗塔東南腿主材與塔腳板連接螺栓發(fā)生剪切破壞，破壞形式如圖6所示。此時測點s22和s24測得應(yīng)變平均值分別為-1789.2με、-1834.7με，塔腿處應(yīng)變值達(dá)到最大，此時塔腿主材應(yīng)力約377.9 MPa，大于設(shè)計強(qiáng)度值356 MPa。考慮到試驗塔達(dá)到140%試驗荷載后發(fā)生塑性變形，對其進(jìn)行非線性靜力分析，得到測點s24位置相應(yīng)處桿件應(yīng)力最大約398 MPa，與實測值接近，同樣驗證了試驗塔東南腿發(fā)生破壞。

圖6 試驗塔破壞形式

4 結(jié) 論

本文通過對桿塔進(jìn)行真型試驗及數(shù)值仿真計算，分析了桿塔在不同工況下的應(yīng)力及應(yīng)變情況。根據(jù)前文結(jié)果可知，鐵塔位移、應(yīng)變及極限承載計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果對比分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 試驗塔通過了工況1～7加載，未發(fā)生桿件失效。工況8加載至140%試驗荷載時試驗塔發(fā)生破壞，試驗測得該塔型極限承載力約為135%試驗荷載，具有較大的安全儲備，滿足設(shè)計要求。

(2) 塔腿處試驗平均應(yīng)變值與數(shù)值仿真計算值最大偏差為15.46%，最小偏差為1.01%，各工況下桿塔應(yīng)變計算值與試驗值吻合性較好。

(3) 鐵塔變形以變坡位置為界呈現(xiàn)上大下小的特點，這與塔身變坡以上剛度小、變坡以下剛度大直接相關(guān)。

目前的仿真結(jié)果總體來說與試驗結(jié)果吻合較好，考慮到試驗結(jié)果的誤差和離散性，后期將進(jìn)行更為細(xì)致的模型修正和數(shù)據(jù)對比，以保證有限元模型的精度。