王德賀，楊曉軍，李小磊

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林132012;2.瀘州電業(yè)局，四川 瀘州646000)

0 引言

在拉線式輸電塔結(jié)構(gòu)中，拉線可以看作柔索結(jié)構(gòu)，塔身是由各種桿件及結(jié)點(diǎn)組成的鋼結(jié)構(gòu)，只有對(duì)拉線施加了適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，才具有足夠的拉線剛度拉緊鐵塔，避免拉線塔在外荷載下失穩(wěn)，造成輸電線路運(yùn)行事故。因此，為了分析拉線初應(yīng)力對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，本文使用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立拉線門型塔結(jié)構(gòu)索、梁、桁架組合單元的非線性有限元模型，通過(guò)理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，找出拉線初應(yīng)力分布大小對(duì)此類型鐵塔結(jié)構(gòu)受力影響的規(guī)律，為拉線式輸電塔施工提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 拉線門型塔有限元模型

在拉線式輸電塔工程施工中，拉線初應(yīng)力取值不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小。若初應(yīng)力過(guò)大，則輸電鐵塔桿件結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)處位移變形較小，節(jié)點(diǎn)剛度較大，但鐵塔主材軸向力明顯增加，桿件會(huì)受壓失穩(wěn);若初應(yīng)力過(guò)小，則輸電鐵塔結(jié)構(gòu)桿件的節(jié)點(diǎn)位移變形較大，節(jié)點(diǎn)剛度較小，容易晃動(dòng)，也會(huì)失穩(wěn)。因此，拉線初應(yīng)力的取值大小會(huì)影響到輸電塔在外荷載作用下的整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度和用材經(jīng)濟(jì)性。

1.1 有限元模型的建立

假設(shè)所用鐵塔材料為各向同性的，符合V.Mises初始屈服條件和相關(guān)流動(dòng)法則;結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)為大位移小變形;利用CAD繪圖技術(shù)建立鐵塔的空間模型，利用分析軟件ANSYS建立的有限元模型中不計(jì)構(gòu)件加工、安裝誤差及材料初始缺陷，節(jié)點(diǎn)為理想的空間鉸接或剛節(jié)點(diǎn);主材和橫隔采用考慮切應(yīng)變形而且不考慮截面翹曲的Beam188梁?jiǎn)卧o材采用僅受軸向力的Link8桿單元，拉線采用僅受拉力的Link10索單元。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 ANSYS有限元模型

1.2 拉線預(yù)應(yīng)力的施加

一般索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的施加在ANSYS軟件中有3種方法，即等效降溫法、等效力法、等效應(yīng)變法。等效降溫法就是通過(guò)設(shè)置不同方向異性的溫度應(yīng)變系數(shù)，利用應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系式計(jì)算，在設(shè)定的溫差下獲得與預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變等效的效果;等效力法就是用與預(yù)應(yīng)力等效的均布力或集中力施加到相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上;等效應(yīng)變法就是通過(guò)加載位移約束，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)變與預(yù)應(yīng)力加載方式產(chǎn)生的應(yīng)變等效。本文采用等效應(yīng)變方式施加拉線的預(yù)應(yīng)力。利用軟件中的反復(fù)迭代方式，不斷調(diào)整拉線單元的應(yīng)力初值，使得實(shí)際工況的拉線初始應(yīng)力與有限元模型中單元的應(yīng)力差值滿足精度要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的施加拉線預(yù)應(yīng)力。

1.3 大風(fēng)工況下拉線門型塔外荷載的計(jì)算

拉線塔不同于一般自立式鐵塔的主要特性是拉線塔縱橫向荷載作用下的力學(xué)性能不同，在大風(fēng)工況下鐵塔所受荷載主要是重力荷載和風(fēng)荷載，隨著攻角的改變，風(fēng)荷載的大小和方向也會(huì)改變。因此，為了分析拉線門型塔在線性攻角下的力學(xué)性能，選取0°、45°、90°等具有代表意義的大風(fēng)攻角工況。風(fēng)向示意圖如圖2所示。鐵塔自身的風(fēng)荷載，按照文獻(xiàn)［1－2］對(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算規(guī)定，采用分段的方式計(jì)算。塔身風(fēng)荷載按照不同高度不同風(fēng)振系數(shù)取值分為4段，3種攻角的風(fēng)荷載大小按分配系數(shù)分別分配到水平、垂直坐標(biāo)軸上。

經(jīng)分析，在0°風(fēng)攻角工況、拉線門型塔在風(fēng)速為33 m/s風(fēng)速時(shí)，出現(xiàn)桿件破壞情況;在45°風(fēng)攻角工況、拉線門型塔在31 m/s風(fēng)速時(shí)，出現(xiàn)桿件破壞情況;在90°風(fēng)攻角工況、風(fēng)速為28.6 m/s時(shí)，出現(xiàn)迎風(fēng)面主柱離開基礎(chǔ)的情況，也就是說(shuō)此種工況導(dǎo)致鐵塔破壞。因此，90°風(fēng)攻角大風(fēng)工況為此類型鐵塔的最不利攻角。

圖2 風(fēng)向示意圖

1.4 非線性有限元方程的建立與求解

拉線式輸電塔在初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下受預(yù)應(yīng)力和重力的作用，達(dá)到平衡狀態(tài)。此過(guò)程在整體坐標(biāo)系下，根據(jù)UL描述法，從t時(shí)刻到t+Δt時(shí)刻的荷載步中，結(jié)構(gòu)的非線性增量平衡方程為

式中:t［K］為 t時(shí)刻結(jié)構(gòu)的總的切線剛度矩陣;d{u}為從 t到 t+Δt時(shí)刻結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移增量;t+Δt{R}為在t+Δt時(shí)刻的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載力向量;t{F}t為時(shí)刻單元應(yīng)力的等效節(jié)點(diǎn)荷載力向量。

［3］分析，非線性方程組采用Newton－Raphson迭代求解更能體現(xiàn)UL法的優(yōu)點(diǎn)，故采用N－R法求解非線性方程組。利用ANSYS軟件中的應(yīng)力剛化效應(yīng)和大變形效應(yīng)考慮有限元計(jì)算過(guò)程中變形對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。

2 工程實(shí)例分析

以東－長(zhǎng)－哈輸電線路中使用的87(LM21)型拉線門型塔為例，分析拉線預(yù)應(yīng)力對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)的影響。工程條件如下:電壓等級(jí)為500 kV，水平、垂直檔距分別為480 m、650 m，導(dǎo)線、地線規(guī)格分別為L(zhǎng)GJ－400/50、LGJ－95/53，極限拉線應(yīng)力為1 400 MPa。選取最不利工況90°大風(fēng)攻角作為結(jié)構(gòu)的外載荷，拉線初應(yīng)力依次選取50 MPa、100 MPa、120 MPa、150 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa，風(fēng)速選為此種工況破壞時(shí)風(fēng)速28.6m/s，對(duì)拉線門型塔進(jìn)行支座反力、節(jié)點(diǎn)位移和桿件軸向應(yīng)力等方面的數(shù)值計(jì)算，并作比較分析。圖3為拉線編號(hào)圖，圖4為桿件與節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖。

圖3 拉線編號(hào)圖

圖4 桿件與節(jié)點(diǎn)編號(hào)圖

2.1 拉線初應(yīng)力對(duì)拉線門型塔初始態(tài)的影響

鐵塔的拉線初應(yīng)力與初始態(tài)下拉線門型塔的關(guān)系具有正相關(guān)性，即拉線門型塔初始狀態(tài)下的支座反力、節(jié)點(diǎn)位移、桿件軸向應(yīng)力隨著拉線初應(yīng)力的增加而顯著增加，而且具有線性趨勢(shì)。

2.2 拉線初應(yīng)力對(duì)拉線門型塔荷載態(tài)的影響

鐵塔的拉線初應(yīng)力與荷載態(tài)下拉線門型塔支座反力、節(jié)點(diǎn)位移、桿件軸向應(yīng)力關(guān)系具有非相關(guān)性。

當(dāng)初應(yīng)力小于250 MPa時(shí)，拉線初應(yīng)力對(duì)鐵塔荷載態(tài)下的支座反力基本沒(méi)有多大影響，拉線門型塔在荷載態(tài)下的節(jié)點(diǎn)位移隨著拉線初應(yīng)力的增加明顯減小，拉線門型塔的桿件軸向應(yīng)力隨著拉線初應(yīng)力的增加有所減小，但是變化不大。

當(dāng)拉線初應(yīng)力超過(guò)250 MPa時(shí)，鐵塔荷載狀態(tài)下的支座反力隨著拉線初應(yīng)力的增加而顯著增加，對(duì)拉線門型塔荷載狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)位移隨拉線初應(yīng)力的增加影響不大，拉線門型塔的桿件軸向應(yīng)力隨著拉線初應(yīng)力的增加而顯著增加。

3 結(jié)論

拉線門型塔在大風(fēng)工況下拉線預(yù)應(yīng)力變化分析結(jié)果表明，輸電鐵塔拉線初應(yīng)力的選取對(duì)拉線門型塔結(jié)構(gòu)的受力性能具有一定的影響。拉線初應(yīng)力對(duì)拉線門型塔初始態(tài)的支座反力、節(jié)點(diǎn)位移和桿件軸力的影響基本呈線性關(guān)系，但是拉線初應(yīng)力對(duì)拉線門型塔荷載態(tài)的受力性能具有明顯的非線性關(guān)系。因此，對(duì)于具有拉線式門型結(jié)構(gòu)的輸電塔，考慮到有預(yù)應(yīng)力拉線鐵塔的受力特性，應(yīng)綜合考慮施工的外部受荷條件，選取合適的拉線初應(yīng)力，避免輸電鐵塔受力不均，失穩(wěn)。

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