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        輸電線路十字組合角鋼主材拼接性能分析

        2013-06-06 06:34:36高淵韓軍科李清華
        電力建設(shè) 2013年5期

        高淵,韓軍科,李清華

        (中國電力科學(xué)研究院,北京市 100192)

        0 引 言

        十字組合角鋼作為主材在220kV及以上輸電線路鐵塔中應(yīng)用廣泛,但相關(guān)研究不完善,僅局限于填板設(shè)計及承載力研究[1-3]。2008年,埃塞俄比亞電力公司與上海輸配電股份有限公司設(shè)計的400kV和230kV十字組合角鋼塔在中國電力科學(xué)研究院進(jìn)行了真型試驗。試驗后發(fā)現(xiàn)十字組合角鋼主材的試驗承載力與理論設(shè)計值偏差較大,多次出現(xiàn)受壓主材未達(dá)到理論破壞荷載就發(fā)生失穩(wěn)屈曲破壞的情況,塔腿下端表現(xiàn)更為明顯。試驗數(shù)據(jù)表明,主材內(nèi)外角鋼受力不均勻,塔腿根部主材節(jié)間內(nèi)外角鋼協(xié)調(diào)受力相對更差,這種受力不均勻性使十字組合角鋼主材的承載能力降低。

        1 總體分析

        為有效解決上述存在的問題,本文將十字組合角鋼旋轉(zhuǎn)90°后與塔身側(cè)面斜材連接,拼接形式如圖1所示。為方便區(qū)分十字組合雙拼角鋼的2種拼接形式,規(guī)定圖1(a)所示為單角鋼拼接十字組合角鋼塔,圖1(b)所示為雙角鋼拼接十字組合角鋼塔。2種拼接形式主材構(gòu)件編號見圖1。

        根據(jù)慣性矩平行軸定理[4],2種拼接形式主材截面慣性矩計算如下:

        圖1 十字組合雙拼角鋼布置Fig.1 Arrangement of cross-section combined double-angle steel splicing

        式中:Ix0為十字雙拼截面對其平行形心軸x0的慣性矩;Iy0為十字雙拼截面對其平行形心軸y0的慣性矩;A為十字雙拼角鋼凈截面面積;k為塔身橫斷面主材軸線間寬度。

        Ix1=Ix2,Iy1=Iy2(Ix1,Iy1對應(yīng)單角鋼拼接方式塔,Ix2,Iy2對應(yīng)雙角鋼拼接方式塔),2種拼接形式塔截面慣性矩一致,主材計算長度亦一致。單從主材截面特性及計算長度無法判斷2種拼接方式的優(yōu)劣,有必要考慮主材與斜材相連接后其整體傳力協(xié)調(diào)性的優(yōu)劣。

        2 算例分析

        本文選取500kV雙回路通用輸電鐵塔,桿塔呼稱高H為66.0m,總高為94.1m。鐵塔主材材料為Q420角鋼(2L160×14、2L180×16),采用雙拼十字組合截面,斜材及填板(十字焊)為Q345鋼或Q235鋼。比較十字組合角鋼不同拼接形式鐵塔結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),并計算其極限荷載,以確定實(shí)際工程中采取何種拼接形式受力更合理,更節(jié)省材料。鐵塔建模采用多尺度模型[5-6],殼體部分主材、塔腳板及其上節(jié)點(diǎn)板均用SHELL181殼單元模擬,螺栓連接用耦合模擬,梁桿部分主材用BEAM4單元模擬,斜材用LINK8單元模擬,主材與斜材連接于主材處節(jié)點(diǎn)板上,殼體與梁桿剛域連接。SHELL181殼單元適合模擬中小厚度殼結(jié)構(gòu),具有應(yīng)力剛化及大變形功能,有強(qiáng)大的非線性功能。材料采用多線性隨動強(qiáng)化模型MKIN,按實(shí)測材料強(qiáng)度曲線取值,考慮鋼材的包興格效應(yīng)[7-8]。

        荷載工況取直線塔最不利荷載工況即60°大風(fēng)工況[9]。由工程設(shè)計經(jīng)驗可知塔身變坡處及接腿處桿端彎矩最大,故多尺度模型中塔身部分變坡節(jié)間及接近接腿處節(jié)間主材采用殼體建模,其余部分均采用梁桿建模,另外,接腿處單獨(dú)建多尺度模型。有限元模型如圖2所示。接腿有限元模型分2種:等高接腿段(9.0m),高低接腿段(9.0m/4.5m)。為比較2種不同拼接形式十字組合角鋼主材塔的受力合理性,每種模型均建2種不同拼接形式,除主材布置形式不一樣,其他條件包括材料、規(guī)格和空間位置等均相同,另約束條件和荷載工況亦相同,單元網(wǎng)格劃分尺寸控制等均一致。

        圖2 有限元模型圖Fig.2 Finite element model

        多尺度計算模型共6個,有限元計算結(jié)果如下。

        2.1 整塔

        2種拼接形式整塔60°大風(fēng)工況下其整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。殼體部分主材構(gòu)件最大應(yīng)力及軸力見表1。雙角鋼拼接塔最大應(yīng)力出現(xiàn)在變坡處節(jié)間L0Z構(gòu)件上,為369MPa;單角鋼拼接塔最大應(yīng)力出現(xiàn)在變坡處節(jié)間L0N構(gòu)件上,為377MPa。2種拼接方式最大應(yīng)力百分比為97.88%。

        圖3 整塔Von Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Von Mises stress nephogram of tower

        2種不同拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的最大應(yīng)力和軸力百分比見表2。

        由于在實(shí)際工程中,最大受力主材起控制作用,同時受壓比受拉更易導(dǎo)致主材破壞,這里2種連接形式均以0號腿的受力狀態(tài)做參考(0號腿為最大受壓腿)。從表2可以看出,在塔身部分,雙角鋼拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的受力均勻性明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。最大應(yīng)力控制截面上,雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為11.7%及0.7%(分別對應(yīng)變坡處節(jié)間主材及接腿上節(jié)間主材),而單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為20.2%及0.8%,雙角鋼拼接方式明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。

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        從殼體部分主材上截取4個軸向水平截面(如圖4所示),以各截面兩構(gòu)件角鋼頂點(diǎn)位移和的平均值為位移標(biāo)準(zhǔn)參考值,得出各截面構(gòu)件翼緣位移相對值見表3。從表中可以看出單角鋼拼接塔主材內(nèi)、外角鋼位移不協(xié)調(diào),剛度分布不均勻(內(nèi)角鋼剛度大);而雙角鋼拼接塔主材兩組合角鋼位移協(xié)調(diào)性較好,剛度分布較均勻,雙角鋼拼接塔主材位移的協(xié)調(diào)性明顯優(yōu)于單角鋼拼接塔。

        2.2 等高腿接腿段

        等高腿接腿段60°大風(fēng)工況下其整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示,從圖中可以看出主材應(yīng)力最大點(diǎn)并不是發(fā)生在螺栓應(yīng)力集中處(應(yīng)力最大部位并未出現(xiàn)在螺栓連接區(qū)域)。雙角鋼拼接接腿段與單角鋼拼接接腿段主材截面最大應(yīng)力均出現(xiàn)在0號受壓腿上,且均接近塔腳板位置。其中雙角鋼拼接接腿段最大應(yīng)力出現(xiàn)在L0H構(gòu)件上,單角鋼拼接接腿段最大應(yīng)力出現(xiàn)在L0N構(gòu)件上,雙角鋼拼接形式比單角鋼拼接形式主材截面上應(yīng)力分布更均勻。

        圖5 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram

        從表4可以看出雙角鋼拼接接腿段主材的最大應(yīng)力比單角鋼拼接接腿段主材的最大應(yīng)力平均要小10.79%,其整體最大應(yīng)力比單角鋼拼接接腿段整體最大應(yīng)力小1.75%。雙角鋼拼接接腿段主材受力比單角鋼拼接接腿段主材受力更均勻。

        表4 主材構(gòu)件最大應(yīng)力及軸力(等高腿接腿段)Tab.4 Maximum stress and axial force of main component with the same height legs

        2種不同拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的最大應(yīng)力和軸力百分比見表5。

        以0號腿的受力狀態(tài)做參考(0號腿為最大受壓腿),從表5可以看出雙角鋼拼接0號腿主材雙角鋼受力更均勻(99.33%),單角鋼拼接0號腿主材雙角鋼受力均勻性稍差(98.86%)。雙角鋼拼接0號腿主材軸力均勻為99.93%,而單角鋼拼接0號腿主材軸力百分比為97.80%,不是很均勻。最大應(yīng)力控制截面上,雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差0.7%,單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差3.3%,因而雙角鋼拼接方式優(yōu)于單角鋼拼接方式。

        表5 同編號腿主材最大應(yīng)力及軸力百分比(等高腿接腿段)Tab.5 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg(same height legs) (%)

        2.3 高低腿接腿段

        高低腿接腿段60°大風(fēng)工況下其整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

        圖6 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von Mises stress nephogram

        從表6可以看出雙角鋼拼接接腿段主材整體最大應(yīng)力比單角鋼拼接接腿段整體最大應(yīng)力小6.33%。雙角鋼拼接接腿段主材受力比單角鋼拼接接腿段主材受力更均勻。

        表6 主材構(gòu)件最大應(yīng)力及軸力(高低腿接腿段)Tab.6 Maximum stress and axial force of main components with different height legs

        2種不同拼接方式同編號腿主材兩組合角鋼的最大應(yīng)力和軸力百分比見表7。

        同樣,只考慮0號腿的受力狀態(tài)做參考。從表7可以看出雙角鋼拼接形式(95.65%,96.47%)較單角鋼拼接形式(94.10%,94.51%)受力均勻。最大應(yīng)力控制截面上,雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差4.7%,單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差13.7%,雙角鋼拼接方式明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。

        表7 同編號腿主材最大應(yīng)力及軸力百分比(高低腿接腿段)Tab.7 Percentage of maximum stress and axial force of main material with the same number of leg(different height legs) (%)

        3 結(jié)論及建議

        (1)雙角鋼拼接方式塔身主材受力均勻性優(yōu)于單角鋼拼接方式。最大應(yīng)力控制截面上,雙角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為11.7%及0.7%(分別對應(yīng)變坡處節(jié)間及接腿上節(jié)間主材),而單角鋼拼接方式兩組合角鋼的最大應(yīng)力相差分別為20.2%及0.8%,雙角鋼拼接方式明顯優(yōu)于單角鋼拼接方式。

        (2)單角鋼拼接塔主材內(nèi)角鋼與斜材相連接,外角鋼不直接與斜材相連接,內(nèi)、外角鋼剛度分布不均勻(內(nèi)角鋼剛度大)。而雙角鋼拼接塔主材的兩組合角鋼分別與各自一側(cè)斜材相連接,剛度分布均勻。塔架受力后,單角鋼拼接塔內(nèi)角鋼受力比外角鋼大,主材受力分布不均勻。而雙角鋼拼接塔傳力協(xié)調(diào)性好,兩組合角鋼受力基本一致,承載能力較單角鋼拼接塔高。

        (3)接腿部分主材受力均勻性,雙角鋼拼接方式優(yōu)于單角鋼拼接方式,非等高腿表現(xiàn)尤為明顯,其最大應(yīng)力控制截面上2種拼接方式主材的最大應(yīng)力相差分別為4.7%和13.7%。

        (4)考慮到實(shí)際工程中鐵塔結(jié)構(gòu)螺栓孔徑一般都要比螺栓直徑大1.52.0 mm[10-11],塔架受力后,單角鋼拼接塔主材可能會發(fā)生非同步滑移(內(nèi)外角鋼剛度分布不均勻,造成受力不均勻),加劇其主材受力不均勻性。由于實(shí)體建模的復(fù)雜性和不確定性,本文數(shù)值模擬沒有計入螺栓滑移所帶來的影響。

        (5)本文僅限于理論分析和數(shù)值模擬,結(jié)論有待試驗進(jìn)一步驗證。

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