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        基于ANSYS/PDS的覆冰荷載下高壓輸電塔可靠度分析

        2013-03-05 08:00:10劉春城胡曉煒
        黑龍江電力 2013年2期
        關(guān)鍵詞:主材桿塔均值

        劉春城,胡曉煒,曹 玲

        (東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院,吉林吉林132012)

        2008年初中國南方冰雪災(zāi)害導(dǎo)致大量輸電塔破壞,造成了極大的經(jīng)濟損失,因此保證輸電線路的安全性和可靠性成為結(jié)構(gòu)工程界亟待解決的課題[1-2]。目前,中國運行的輸電線路大部分是依據(jù)《架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)設(shè)計的,該規(guī)程結(jié)構(gòu)設(shè)計基于經(jīng)驗的容許應(yīng)力法和安全系數(shù)法,并沒有涉及到結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計理論[3]。而且輸電塔設(shè)計中還存在諸多不確定因素,例如作用于結(jié)構(gòu)上的真實荷載、結(jié)構(gòu)的承載能力及結(jié)構(gòu)的參數(shù)等,它們都服從一定的概率分布,設(shè)計時并不能精確確定,因此建立在可靠度分析基礎(chǔ)上的設(shè)計方法將更符合實際[4]。本文采用蒙托卡羅法有限元法,利用ANSYS軟件的概率設(shè)計模塊,對輸電塔可靠性進行評估。

        1 蒙托卡羅隨機有限元法(ANSYS/PDS)

        作為最常用的概率分析方法,蒙特卡羅法能夠清晰地模擬實際問題的真實行為特征,而有限元分析軟件ANSYS可以將此法與有限元技術(shù)相結(jié)合,從而節(jié)約資源和提高效率,具體步驟如下[5]:

        表1 輸電塔各隨機變量

        1)創(chuàng)建分析文件,文件應(yīng)該包括完整的分析過程。本文利用APDL命令流創(chuàng)建宏文件,文件內(nèi)包括建立輸電塔塔線體系模型、施加荷載、求解、后處理等整個分析過程,可以由ANSYS直接調(diào)用執(zhí)行,且執(zhí)行效率較高。

        2)進入PDS模塊并指定分析文件,定義隨機輸入變量和隨機輸出變量,選擇概率設(shè)計工具或方法,指定循環(huán)次數(shù)。本文選用的Monte Carlo拉丁超立方抽樣法,循環(huán)次數(shù)為1 000次。

        3)對分析結(jié)果進行處理,包括繪制變量變化曲線、計算失效概率等。

        2 輸電塔結(jié)構(gòu)可靠性分析

        2.1 建立有限元模型

        某自立式500 kV輸電塔總高度為71.8 m,呼稱高度為60 m,水平檔距為Lh=500 m,垂直檔距為Lv=700 m,導(dǎo)線為4×LGJ-400/35,地線為 JLB-150的單回路鐵塔。在ANSYS里建立一塔兩線有限元模型,考慮到輸電塔各桿件在實際受力過程中須承擔(dān)不同的力,主材和斜材主要承擔(dān)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)整體剛度輔材主要起到增加主材的穩(wěn)定性、減少主材計算長度的作用。因此,輸電鐵塔結(jié)構(gòu)采用梁桁混合模型,將主材和斜材視為梁單元,將輔材視為桿單元。本文采用BEAM189單元來模擬梁單元、LINK8單元來模擬桿單元,由于輸電導(dǎo)線和地線在實際運行時僅承受拉力,故采用LINK10單元進行模擬。輸電塔線體系有限元模型如圖1所示。

        圖1 一塔兩線體系有限元模型

        2.2 輸電塔安全界限

        1)剛度破壞界限。目前中國運行的輸電線路中有相當(dāng)一部分是依據(jù)《規(guī)程》設(shè)計的,尚停留在規(guī)程的水準(zhǔn)上,并未考慮結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計。而輸電塔結(jié)構(gòu)也屬于高聳結(jié)構(gòu),根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6],輸電塔結(jié)構(gòu)頂點水平位移不得大于高度的1/100,若超過該值,即可認為輸電塔剛度破壞。

        2)強度破壞界限。本文提取了輸電塔底部塔腿單元截面最大處應(yīng)力,將材料的許用應(yīng)力取310 MPa[7]。若塔腿截面最大應(yīng)力超過該值,即可認為輸電塔因強度不足而破壞。

        2.3 確定隨機變量

        利用ANSYS中的PDS模塊對模型進行可靠性分析,將輸電塔材料屬性(如彈性模量、角鋼尺寸)以及荷載有關(guān)參數(shù)(如風(fēng)速及覆冰厚度等)定義為隨機輸入變量[8],提取塔頂?shù)奈灰萍拜旊娝撞克葐卧孛孀畲筇帒?yīng)力,將其定義為隨機輸出變量。各隨機變量的分布類型及系數(shù)如表1所示。

        2.4 荷載計算

        依據(jù)《規(guī)程》計算荷載。風(fēng)荷載的系數(shù)隨高度變化較大,且輸電塔各段的截面面積也不同,故將輸電塔由下至上分為9段,分別計算各段的風(fēng)荷載,按照力矩等效的原理,計算出等效作用于模型節(jié)點上的集中力。同樣的原理,輸電線上的風(fēng)荷載和覆冰荷載應(yīng)首先計算出覆冰比載,按照等效荷載的原則施加在輸電線單元節(jié)點上。計算得到的各段荷載如表2、表3所示。

        表2 分段計算輸電塔風(fēng)荷載

        表3 輸電線和地線的覆冰荷載及風(fēng)荷載 N/m

        2.5 可靠度分析

        分別對以上述2種安全界限判定輸電塔的失效性。采用Monte Carlo拉丁超立方抽樣法,此方法比較直觀,對抽樣過程有“記憶”功能,且強制抽樣過程中抽樣點必須離散分布于整個抽樣空間,從而避免直接抽樣法數(shù)據(jù)點集中而導(dǎo)致的仿真循環(huán)重復(fù)問題[5]。分別在覆冰厚度為20、30、40和50 mm 4種工況下做了1 000次模擬。覆冰厚度b=40 mm工況下UD及Smax的模擬結(jié)果如圖2、圖3及表4所示。

        圖2 覆冰均值b=40 mm時輸電塔UD的歷史曲線

        圖3 覆冰均值在40 mm時Smax的歷史曲線

        2.6 計算結(jié)果分析

        由上述圖表可知,在4種不同覆冰均值的工況下,塔頂位移最大值均未超過塔高的1/100,且波動幅度較小,故用剛度破壞極限來判定桿塔未出現(xiàn)剛度失效的情況;桿塔底部主材單元最大應(yīng)力在覆冰均值為20 mm和30 mm工況下,最大值均未超過主材的抗壓強度。在覆冰厚度小于20 mm時,主材最大應(yīng)力出現(xiàn)了拉應(yīng)力,說明在覆冰厚度較小時,風(fēng)荷載的作用較大,使得桿塔一側(cè)出現(xiàn)了拉應(yīng)力;覆冰厚度在30 mm以上時,主材最大應(yīng)力均為壓應(yīng)力,這與實際情況相符。對4種工況分別計算可靠度和可靠指標(biāo),如表5所示。

        表4 不同覆冰均值下UD及Smax最值

        表5 輸電塔可靠度計算

        圖4 最大應(yīng)力Smax關(guān)于覆冰厚度b的離散圖

        在表5中,覆冰均值為40 mm和50 mm時的可靠性指標(biāo)β=2.847和2.26,與文獻[2,4]的結(jié)果相符,而根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,二級延性破壞類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)應(yīng)不小于3.2,覆冰厚度40 mm和50 mm工況下的輸電塔構(gòu)件可靠度不符合標(biāo)準(zhǔn),對輸電塔構(gòu)件,特別是塔腿要適當(dāng)加強。

        在分析過程中,也作出了最大應(yīng)力、塔頂位移關(guān)于覆冰均值的離散圖,現(xiàn)以最大應(yīng)力關(guān)于覆冰均值的離散圖為例,如圖4所示。

        從圖4可以看出,最大應(yīng)力Smax隨覆冰厚度b呈線性變化趨勢,也說明桿塔結(jié)構(gòu)雖然為多次超靜定結(jié)構(gòu),但是可視為一個結(jié)構(gòu)整體,此結(jié)構(gòu)整體具有其固有的剛度、模態(tài)等屬性。在正常使用狀態(tài)下,固有屬性是基本保持不變的,只有在荷載過大、材料變異、構(gòu)件失效過多等情況下,才會導(dǎo)致固有屬性發(fā)生變化,從而導(dǎo)致最終的破壞。

        3 結(jié)論

        1)在保持風(fēng)速不變的狀況下,隨著覆冰厚度的增加,輸電塔失效概率隨之增加。

        2)覆冰厚度較小時,主材的最大應(yīng)力出現(xiàn)了拉應(yīng)力。當(dāng)覆冰荷載與風(fēng)荷載同時作用于輸電塔時,荷載產(chǎn)生的效應(yīng)以風(fēng)荷載為主;覆冰厚度較大時,以覆冰荷載為主,輸電塔更容易出現(xiàn)因局部強度不足而導(dǎo)致的輸電塔破壞,輸電塔的強度失效概率大于剛度失效概率。

        3)桿塔的水平位移主要因風(fēng)荷載引起,如風(fēng)速過大,輸電塔容易發(fā)生因位移過大而造成的剛度破壞。

        [1] 李正,楊靖波,韓軍科,等.2008年輸電線路冰災(zāi)倒塔原因分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(2):31 -35.

        [2] 劉春城,孫顯鶴,牟雪峰,等.高壓輸電塔覆冰荷載作用下可靠度分析[J].水電能源科學(xué),2011,29(5):156 -158,112.

        [3] DL/T 5092-1999.110~500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2003.

        [4] 李茂華,李正,任吉華,等.500 kV輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的可靠性分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(23):91 -94.

        [5] 博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品高級分析技術(shù)與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2005:298-342.

        [6] 同濟大學(xué).高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GBJ135-90)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1991.

        [7] 馮徑軍,柳春光,馮嬌.輸電塔線在覆冰與風(fēng)載下的可靠性分析[J].水電能源科學(xué),2011,10(2):203 -206.

        [8] 陳朝暉,湯海濤.基于Monte-Carlo法的極值風(fēng)速模型研究[J].工程力學(xué),2009,26(S1):193 -197.

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