風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔承載性能建模分析

汪 濤,胡國(guó)輝,李 琛,彭懷德

(國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,江西 南昌 330096)

輸電鐵塔是為電力系統(tǒng)供電的重要設(shè)備,一旦損壞可能造成配電網(wǎng)無(wú)法正常運(yùn)行,甚至造成人員傷亡,影響人民的正常生活。目前輸電鐵塔的高度伴隨電力建設(shè)的發(fā)展不斷提升[1]。在風(fēng)荷載作用下鐵塔兩側(cè)形成較高的不平衡張力,容易造成失穩(wěn)損壞,因此分析風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔的承載性能,具有極高的工程價(jià)值[2]。輸電鐵塔設(shè)計(jì)時(shí),需充分考慮不同因素對(duì)鐵塔載荷的影響[3-5],保障輸電鐵塔運(yùn)行過(guò)程中具備足夠的承受荷載的強(qiáng)度[6]。

陳城等[7]針對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下500 kV輸電塔線的倒塌情況進(jìn)行研究,確定了輸電鐵塔倒塌的風(fēng)力荷載;卞榮、劉石等[8-9]充分考慮臺(tái)風(fēng)對(duì)輸電塔線的影響,監(jiān)測(cè)了臺(tái)風(fēng)情況下輸電鐵塔的狀態(tài)變化。

本文將以上研究成果作為理論基礎(chǔ),建模分析風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔承載性能,利用有限元分析軟件建立輸電鐵塔的有限元模型,進(jìn)一步分析輸電鐵塔的承載性能。

1 輸電鐵塔承載性能建模分析

1.1 輸電鐵塔有限元模型

梁桁混合模型廣泛應(yīng)用于輸電鐵塔建模中,其具有計(jì)算簡(jiǎn)單以及建模方便的特點(diǎn),并且具有較高的計(jì)算精度。本文應(yīng)用梁桁混合模型搭建輸電鐵塔的有限元模型。

應(yīng)用ANSYS軟件建立輸電鐵塔的有限元模型,具體流程如下:

1)選取三維梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬輸電鐵塔的主材與交叉斜材。充分考慮輸電鐵塔中主材與交叉斜材的拉力、壓力、扭力以及剪力等數(shù)據(jù),分析輸電鐵塔在不同情況下的變形情況。設(shè)置輸電鐵塔不同端部的單邊約束[10],令輸電鐵塔角鋼材料的搭建方向滿足設(shè)計(jì)要求,降低輸電鐵塔模擬過(guò)程中的誤差。

2)選取二維拉壓?jiǎn)卧狶INK180模擬輸電鐵塔的輔助材料,所建立的有限元模型充分考慮輸電鐵塔輔助材料拉力以及壓力。

3)選取節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬輸電鐵塔中設(shè)置的交叉斜材聯(lián)結(jié)螺栓。在不考慮輸電鐵塔斜材的轉(zhuǎn)動(dòng)約束情況下[11],通過(guò)計(jì)算令輸電鐵塔支撐節(jié)點(diǎn)在不同方向的線位移相同。

4)設(shè)置不同方向的平移自由度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度作為約束條件,模擬輸電鐵塔的基礎(chǔ)與4個(gè)支座之間的連接。

5)將荷載直接施加到輸電鐵塔支撐節(jié)點(diǎn)上,通過(guò)施加的風(fēng)荷載模擬輸電鐵塔中導(dǎo)線以及節(jié)點(diǎn)的受力變化情況[12]。

6)設(shè)輸電鐵塔基礎(chǔ)存在過(guò)大變形以及破壞情況,利用所構(gòu)建的輸電鐵塔模型,模擬地表變形以及地表移動(dòng)造成的輸電鐵塔基礎(chǔ)位移變化[13],設(shè)置輸電鐵塔轉(zhuǎn)動(dòng)的約束條件。

1.2 材料模型

輸電鐵塔的鋼材對(duì)輸電鐵塔承載性能影響較大。依據(jù)輸電鐵塔中鋼材的非線性特征,模擬鋼材理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

建立輸電鐵塔模型需設(shè)定固定的屈服準(zhǔn)則,選取von-Mises屈服準(zhǔn)則描述鋼材出現(xiàn)塑性變形情況時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)[14]。材料屈服應(yīng)力表達(dá)式如下:

σe-σy=0

(1)

式中:σy與σe分別為屈服應(yīng)力以及等效應(yīng)力。

等效應(yīng)力σe表達(dá)式如下:

(2)

式中:σ1、σ2、σ3與σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz分別為主應(yīng)力與應(yīng)力分量。

1.3 輸電鐵塔風(fēng)荷載計(jì)算

計(jì)算輸電鐵塔的風(fēng)荷載時(shí),僅考慮作用于輸電鐵塔的自身荷載以及外荷載。鐵塔實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,并非僅存在以上荷載,還存在風(fēng)荷載、冰荷載以及絕緣子自重荷載等眾多荷載。

輸電鐵塔的風(fēng)荷載Ws表達(dá)式如下:

Ws=ω0·uz·us·βz·Sf

(3)

式中:ω0為輸電鐵塔的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,uz為高度為z時(shí)的風(fēng)壓高度變化系數(shù),us為基本風(fēng)壓系數(shù),βz為高度為z時(shí)的風(fēng)振系數(shù),Sf為構(gòu)件受到風(fēng)荷載作用時(shí)的投影面積。

輸電鐵塔屬于典型的高聳結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載對(duì)于輸電鐵塔影響較大。對(duì)輸電鐵塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要重點(diǎn)考慮風(fēng)荷載的作用。風(fēng)力以固定速度運(yùn)動(dòng)時(shí),在存在障礙物的情況下,障礙物需接受風(fēng)的壓力[15],所接受的壓力即為風(fēng)壓。風(fēng)振系數(shù)是充分考慮風(fēng)向?qū)旊婅F塔作用時(shí)靜力以及動(dòng)力的重要系數(shù),作用于輸電鐵塔的風(fēng)振系數(shù)表達(dá)式如下:

βz=1+ξε1ε2

(4)

式中:ε1為受風(fēng)壓高度以及風(fēng)壓脈動(dòng)影響的系數(shù),ε2為受結(jié)構(gòu)外形以及振型影響的系數(shù),ξ為脈動(dòng)增大系數(shù)。

應(yīng)用ANSYS軟件建立輸電鐵塔的有限元模型時(shí),輸電鐵塔通過(guò)節(jié)點(diǎn)接受外荷載施加的力。輸電鐵塔的導(dǎo)線以及地線的荷載直接加載于輸電鐵塔掛線點(diǎn)中,輸電鐵塔各桿件受到的風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為各桿件兩端節(jié)點(diǎn)的力。

2 模擬分析

選取增量加載方法分析風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔的承載性能。增量加載方法指在輸電鐵塔加載點(diǎn)上基于設(shè)計(jì)荷載成倍加載,直至輸電鐵塔為破壞狀態(tài),無(wú)法繼續(xù)加載為止。結(jié)構(gòu)破壞前的荷載即輸電鐵塔的極限荷載。選取型號(hào)為1D11-SZ3的鼓形輸電鐵塔作為模型建立的原型,輸電鐵塔總高度為49.7 m,輸電鐵塔標(biāo)高為38 mm,塔身橫截面的最大寬度為6.5 m。

輸電鐵塔主材采用Q345等邊角鋼,輸電鐵塔材料的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輸電鐵塔材料性能參數(shù)

輸電鐵塔電壓為220 kV,水平檔距以及垂直檔距分別為450 m以及650 m。

2.1 仿真模型構(gòu)建

應(yīng)用本文方法構(gòu)建的輸電鐵塔有限元模型包含的單元數(shù)量為1 854個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量為754個(gè)。所構(gòu)建輸電鐵塔有限元模型部分截圖如圖1所示。

圖1 輸電鐵塔有限元模型

由圖1可以看出,所建立的有限元模型坐標(biāo)系為笛卡爾直角坐標(biāo)系。X、Y、Z軸分別表示輸電鐵塔線路水平方向、垂直線路方向以及鉛直方向,所建立輸電鐵塔模型正方向?yàn)橄蛏戏较颉?/p>

2.2 風(fēng)荷載計(jì)算

2.2.1輸電鐵塔風(fēng)荷載

將所構(gòu)建的輸電鐵塔模型劃分為10個(gè)塔段,不同塔段在不同風(fēng)向時(shí)的風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 輸電鐵塔風(fēng)荷載

由表2可以看出,本文方法可以有效建立輸電鐵塔的有限元模型。對(duì)所建立的輸電鐵塔模型施加風(fēng)荷載時(shí),可以將風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值平均分配至輸電鐵塔不同塔段的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄟx取節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬輸電鐵塔中的聯(lián)結(jié)螺栓,可以均勻分配荷載。

2.2.2導(dǎo)線、地線風(fēng)荷載

不同風(fēng)向時(shí),輸電鐵塔的導(dǎo)線與地線風(fēng)荷載結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 導(dǎo)線與地線風(fēng)荷載

水平方向以及重力方向的風(fēng)荷載分別表示地線與導(dǎo)線作用于輸電鐵塔的水平力以及豎直力,風(fēng)向?qū)旊婅F塔施加的力分布于輸電塔橫梁與地線和導(dǎo)線的連接節(jié)點(diǎn)中。建模分析風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔承載性能時(shí),不考慮平衡張力情況。

2.3 位移測(cè)試

2.3.1水平位移與支座位移的關(guān)系

設(shè)置模擬過(guò)程中加載風(fēng)荷載的風(fēng)速分別為20 m/s以及30 m/s,此時(shí)通過(guò)模擬獲取的輸電鐵塔主材節(jié)點(diǎn)位移變化情況如圖2所示。

圖2 水平位移與支座位移間的關(guān)系

由圖2模擬結(jié)果可以看出,風(fēng)速為20 m/s以及30 m/s時(shí),所構(gòu)建的輸電鐵塔模型塔頂存在水平位移。風(fēng)速為20 m/s時(shí)的最大水平位移為23.8 mm,風(fēng)速為30 m/s時(shí)的最大水平位移為33.4 mm。所構(gòu)建輸電鐵塔模型的塔頂僅存在少量順位移,風(fēng)速為20 m/s時(shí)的最大順位移僅為1.5 mm;風(fēng)速為30 m/s時(shí)的最大順位移僅為2.8 mm。綜合分析可知,風(fēng)荷載作用下,輸電鐵塔不存在扭轉(zhuǎn)變形情況。

2.3.2塔頂位移與高程位移

充分考慮輸電鐵塔導(dǎo)線與地線對(duì)其作用的水平力與豎直力,同時(shí)考慮輸電鐵塔自重,利用所建立的輸電鐵塔模型模擬不同風(fēng)向時(shí),輸電鐵塔塔架的塔頂位移以及高程位移變化情況,明確風(fēng)荷載對(duì)輸電鐵塔承載性能的影響。設(shè)置風(fēng)速為20 m/s,不同風(fēng)向工況下模型塔頂位移結(jié)果如圖3所示。

圖3 塔頂位移

由圖3可以看出,風(fēng)向?yàn)?0°時(shí),所構(gòu)建輸電鐵塔的塔頂位移明顯高于其他風(fēng)向位移,但塔頂位移低于400 mm。

風(fēng)速為20 m/s時(shí),不同輸電鐵塔分段下,輸電鐵塔高程位移見(jiàn)表4。

表4 高程位移

分析表4可知,風(fēng)向?yàn)?0°時(shí),輸電鐵塔的高程位移最大為374.13 mm?！陡呗柦Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定,風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔由彈性形變引起的塔頂位移與塔高比值應(yīng)該低于1/75。通過(guò)分析可知,本文方法建立的高度為49.7 m的輸電鐵塔水平位移應(yīng)低于662.67 mm。綜合分析圖3、表4模擬結(jié)果可知,所建立的模型在不同風(fēng)速和風(fēng)向下,塔頂位移和高程位移均滿足規(guī)范限制要求,具有較高的模擬有效性,適用于分析風(fēng)荷載作用下輸電鐵塔彈性位移變化情況。這是因?yàn)楸疚囊?20 kV的典型輸電塔為原型,應(yīng)用ANSYS有限元軟件,自底向上建立輸電鐵塔有限元模型,保證了模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.4 應(yīng)力模擬結(jié)果

輸電鐵塔斜材受到破壞時(shí),輸電鐵塔安全性能受到影響。輸電鐵塔支座以及鐵塔結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速作用下,交叉斜材失穩(wěn)是輸電鐵塔破壞的主要形式。模擬風(fēng)速分別為10 m/s、20 m/s、30 m/s情況下,輸電鐵塔最先受到破壞的斜材位移與應(yīng)力變化結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)速軸向平均應(yīng)力

由圖4可以看出,輸電鐵塔的支座加載風(fēng)荷載前為受壓狀態(tài)。伴隨輸電鐵塔支座位移不斷增加,不同風(fēng)速下的斜材應(yīng)力變化規(guī)律相似,均為軸向壓應(yīng)力緩緩增加隨后減小。支座位移變化至20 mm左右時(shí),該斜材承受的壓應(yīng)力較大,伴隨支座位移進(jìn)一步提升,斜材仍處于偏心壓桿的極值點(diǎn)失穩(wěn)破壞狀態(tài)。風(fēng)速為10 m/s、20 m/s、30 m/s情況下,支座水平位移分別為23.85 mm、18.45 mm以及16.11 mm。模擬結(jié)果表明,輸電鐵塔抵抗地表結(jié)構(gòu)變形的水平受風(fēng)荷載影響,所施加風(fēng)荷載越高,輸電鐵塔抵抗變形的水平越差。

模擬不同風(fēng)荷載作用工況時(shí),輸電鐵塔的極限承載力見(jiàn)表5。

表5 不同工況下的極限承載力

表5中Pd為設(shè)計(jì)荷載。由表5可以看出,風(fēng)向?yàn)?0°時(shí),輸電鐵塔具有最小的極限承載力,塔頭所承受的力小于塔身所承受的力。根據(jù)圖4和表5的模擬結(jié)果可以看出,本文方法可以有效模擬輸電鐵塔受風(fēng)荷載作用下的承載性能,獲取不同風(fēng)荷載下輸電鐵塔的承載力。這是因?yàn)楸疚姆椒☉?yīng)用三維梁?jiǎn)卧M輸電鐵塔主材與交叉斜材,選取節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬輸電鐵塔中聯(lián)結(jié)螺栓,建立的輸電鐵塔模型與實(shí)際情況極為接近,以加載方式獲得的輸電鐵塔承載性能分析結(jié)果準(zhǔn)確性高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了輸電鐵塔有限元模型,模擬輸電鐵塔在不同風(fēng)荷載工況下變形以及受力分布,明確輸電鐵塔的承載性能。模擬結(jié)果表明,伴隨風(fēng)荷載的增大,輸電鐵塔存在屈曲破壞的情況,地表結(jié)構(gòu)變形水平也隨之提升。