孟遂民 郭 昊 王 爽 劉文婧

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

2008年雪災(zāi)后，國(guó)家電力部門在2010年7月頒布了新的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為了適應(yīng)新規(guī)范和建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的要求，需要設(shè)計(jì)和改進(jìn)一系列高質(zhì)量高水平的桿塔.而新型桿塔在進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用前，需要進(jìn)行真型塔試驗(yàn)，一旦試驗(yàn)時(shí)發(fā)生破壞，必須重新設(shè)計(jì)和制作新塔，造成設(shè)計(jì)成本增加，因此有必要開發(fā)一套鐵塔試驗(yàn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行鐵塔試驗(yàn)前的仿真模擬，進(jìn)而提高鐵塔試驗(yàn)的成功率，甚至部分取代一些試驗(yàn)，而鐵塔試驗(yàn)仿真系統(tǒng)首先要解決的問(wèn)題就是鐵塔仿真模型的準(zhǔn)確性.因此，本文基于大型有限元分析軟件ANSYS仿真分析了國(guó)內(nèi)220kV電壓等級(jí)的2Z1QA2型單回路酒杯型抗冰直線塔，建立了3種不同的仿真模型，并與試驗(yàn)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出最合適的仿真模型，為后續(xù)鐵塔試驗(yàn)?zāi)M仿真、鐵塔改型、鐵塔防災(zāi)抗災(zāi)的研究提供借鑒.

1 建立鐵塔模型

1.1 試驗(yàn)塔實(shí)驗(yàn)參數(shù)及模型

國(guó)家電網(wǎng)北京電力建設(shè)科學(xué)研究院提供的2Z1QA2型鐵塔的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 2Z1QA2型酒杯塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)

利用ANSYS軟件建立鐵塔的模型，由ANSYS模擬仿真的有限元圖如圖1所示.

圖1 三維有限元圖

1.2 3種模型的建立

本文所要建立的模型分別是等截面型鋼模型，桁梁混合模型和剛架模型.其中等截面型鋼模型和剛架模型選用的建模單元都是Beam188梁?jiǎn)卧冉孛嫘弯撃Ｐ秃蛣偧苣Ｐ偷膮^(qū)別是前者沒有考慮角鋼的朝向問(wèn)題，而只是用等截面形式代替，而后者考慮了角鋼朝向［1].

確定角鋼朝向的規(guī)律是：滿足左手法則，如圖2所示，從節(jié)點(diǎn)I到節(jié)點(diǎn)J是連線順序，z向是關(guān)鍵點(diǎn)指向控制點(diǎn)，按此規(guī)則可確定任何朝向的角鋼［2].

圖2 角鋼朝向確定

桁梁混合模型既用到了Beam188梁?jiǎn)卧钟玫搅薒ink8桿單元.其中鐵塔的主材（包括橫隔材）被打斷形成模型的梁?jiǎn)卧?，而斜材形成模型的桿單元，梁?jiǎn)卧獓设F塔的整個(gè)框架.3種模型建立的三維模型局部對(duì)比如圖3所示.

圖3 3種模型局部對(duì)比圖

2 鐵塔模型的靜力分析以及結(jié)果的誤差分析

2.1 模型加載試驗(yàn)工況的確定

為了得到最合適的仿真模型，以驗(yàn)證塔的整體強(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(yùn)行的目的，本文將選取幾種荷載較大的情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于一些荷載較小的工況由于鐵塔產(chǎn)生的應(yīng)變量較小故將不做計(jì)算.

本文所選擇的工況是：①覆冰驗(yàn)算（超載），試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載；②不均勻覆冰（最大扭）試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載；③不均勻覆冰（最大彎）試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載.3種工況下的荷載值均由國(guó)家電網(wǎng)北京電力建設(shè)科學(xué)研究院提供.

2.2 靜力分析結(jié)果及結(jié)果的誤差分析

如圖4所示的是酒杯塔真型塔實(shí)驗(yàn)室測(cè)點(diǎn)的分布圖.鐵塔主材承擔(dān)整個(gè)鐵塔的主要受力，是整個(gè)鐵塔的框架，本文研究的酒杯塔主材按照位置的不同可以分為塔身主材和橫擔(dān)主材.

圖4 酒杯塔測(cè)點(diǎn)分布圖

在進(jìn)行靜力分析時(shí)，塔材應(yīng)變值很小時(shí)，誤差會(huì)比較大，同時(shí)試驗(yàn)比較關(guān)心的是主材中受力較大的，可能會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)的塔材，因此，選取了應(yīng)變值較大的一些桿件進(jìn)行分析.根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別選取了塔身主材上的測(cè)點(diǎn)1、5、7、9、14，橫擔(dān)主材上的測(cè)點(diǎn)15、16、22、23進(jìn)行分析.分別列出3種模型的主材在3種工況下的應(yīng)變改變值誤差對(duì)比情況，具體數(shù)據(jù)見表2～5，測(cè)試塔材具體位置如圖4所示.

表2 等截面模型主材誤差分析表 （單位：%）

表3 桁梁混合模型主材誤差分析表 （單位：%）

表4 剛架模型主材誤差分析表 （單位：%）

表5 3種模型主材誤差平均值比較

通過(guò)以上分析可得兩個(gè)結(jié)論：①3種模型主材誤差都較小，這是因?yàn)殍F塔主材軸心受壓，受力明確，容易測(cè)量.②3種模型中桁梁混合模型的斜材誤差平均值是最小的.雖然3種模型所得數(shù)據(jù)的誤差都很接近，但是由于鐵塔主要由主材受力決定，故從數(shù)據(jù)上看桁梁混合模型更加準(zhǔn)確.

鐵塔本身通常由角鋼組成，鐵塔桿件主要受到軸向力的作用，銜接處一般采用螺栓聯(lián)接或焊接，故在一般的工程計(jì)算中都將鐵塔視為空間桁架模型來(lái)處理［3].而鐵塔的主材具備梁的特點(diǎn)，除了能承受軸向力之外，還可以承受剪切力、彎矩等，并且在各角鋼的聯(lián)接處，因采用聯(lián)接板聯(lián)接，每段角鋼上也大多數(shù)用多個(gè)螺栓聯(lián)接，這也增加了角鋼的約束，增強(qiáng)了其剛度，但是如果將模型建立為空間剛架模型，鐵塔將會(huì)導(dǎo)致全剛化，剛度過(guò)強(qiáng)，也不符合鐵塔本身的特點(diǎn).所以，使用桁梁混合模型［4，5].

桁梁混合模型是將鐵塔的主材和橫隔材視為梁?jiǎn)卧?，斜材視為桿單元，更接近于實(shí)際的鐵塔結(jié)構(gòu)，而且還能很方便地解決采用桁架模型不易解決的問(wèn)題.在建立有限元模型時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)整個(gè)鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，以鐵塔中桿件的中心軸線兩兩相交的聯(lián)接處形成模型的節(jié)點(diǎn)；兩節(jié)點(diǎn)之間存在的角鋼簡(jiǎn)化為模型的單元，其中包括梁?jiǎn)卧c桿單元.既承受軸向力又承受剪力和彎矩的主材或者橫隔材視為梁?jiǎn)卧怀惺茌S向力的斜材被視為桿單元［6].

基于上述模型的生成準(zhǔn)則，鐵塔的桁梁混合模型具有如下的幾個(gè)特點(diǎn)：①鐵塔模型是桁梁混合模型，模型中既包含梁?jiǎn)卧职瑮U單元，在進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)以梁?jiǎn)卧獮榛鶞?zhǔn).②鐵塔的主材（包括橫隔材）被打斷形成模型的梁?jiǎn)卧?，而斜材形成模型的桿單元，梁?jiǎn)卧獓设F塔的整個(gè)框架.③鐵塔模型的邊界條件為：約束鐵塔4個(gè)腳點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下3個(gè)方向的位移自由度［7].

3 模態(tài)分析

選用桁梁混合模型，進(jìn)行模態(tài)分析.利用ANSYS中的Block Lanczos模態(tài)分析法分析了鐵塔前3階頻率，結(jié)果見表6，振型示意圖如圖5所示.

表6 鐵塔模型模態(tài)分析

圖5 鐵塔振型圖

按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，關(guān)于結(jié)構(gòu)基本自振周期T1的經(jīng)驗(yàn)公式為T1＝（0.007～0.013）H，式中H為桿塔高度，建筑規(guī)范范圍為0.303 1～0.692 9s，符合規(guī)定.該型號(hào)鐵塔應(yīng)該避免建在振動(dòng)周期為0.310 8s的地區(qū).

4 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用大型有限元仿真軟件ANSYS建立了等截面型鋼模型，桁梁混合模型和剛架模型，并用分析結(jié)果分別和真塔試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，然后進(jìn)行酒杯塔的模態(tài)分析.通過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的研究，本文主要得出了以下主要結(jié)論：

1）通過(guò)靜力分析，用3種仿真模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和真塔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，桁梁混合模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真型塔數(shù)據(jù)相比誤差最小，更接近真塔.

2）3種仿真模型在3種工況下主材誤差較小，這是因?yàn)殍F塔主材軸心受壓，受力明確，容易測(cè)量，而斜材偏心受力，并且存在著壓彎、彎扭應(yīng)力，試驗(yàn)中不容易確定最大受力位置，容易造成測(cè)量誤差.

3）通過(guò)模態(tài)分析可知，本文研究的酒杯塔一階周期為0.310 8s，在建立鐵塔時(shí)，應(yīng)該避免建在振動(dòng)周期為0.310 8s的地區(qū).

［1]胡于進(jìn)，王章奇.有限元分析及應(yīng)用［M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［2]徐鶴山.ANSYS建筑鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)例分析［M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3]陳祥和，劉在國(guó)，肖 琦.輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［4]孫 燕.500kV輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的幾何非線性數(shù)值模擬［D].保定：華北電力大學(xué)，2005.

［5]趙滇生.輸電塔架結(jié)構(gòu)的理論分析與受力性能研究［D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

［6]陸 蕊.大林線220kV架空送電線路鐵塔有限元分析研究［D].南寧：廣西大學(xué)，2006.

［7]曾 程.大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)極限承載力分析［D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.