風(fēng)載荷下避雷針塔靜態(tài)受力分析

馬崇1，程明1，陳韶瑜1，張兆凱2

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

摘要：針對長期服役的避雷針塔存在傾倒安全隱患問題，提出采用有限元分析法對避雷針塔進行靜態(tài)受力分析，在分析過程中采用實體單元進行建模，建模工作在軟件pro-e中完成，并應(yīng)用Abaqus對模型進行受力分析，計算結(jié)果表明該受力分析與實際受力情況基本吻合。

關(guān)鍵詞：避雷針塔；應(yīng)力；模擬

收稿日期：2014-01-16

作者簡介：馬崇(1972—)，男，高級工程師，主要從事無損檢測等方面的研究工作。

中圖分類號：TH112

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2015)01-0052-03

Abstract：Aim at the tower Installing by lightning rod having incline problem, put forwards using Finite Element Analysis implementing static force analysis ，in the analysis process by using solid element modeling, modeling work done in software PRO-E. Application of Abaqus to the lightning rod model for force analysis, the calculation results show that the stress analysis and the actual stress is more consistent with practical application value.

Lightning Rod Tower Static Force Analysis Under the Wind Loads

Ma Chong1，Cheng Ming1，Chen Shaoyu1，Zhang Zhaokai2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300384, China;2.School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Key words：lightning rod tower; stress; simulation

目前，某地電力公司有一批變電站避雷針塔已經(jīng)服役20年，針對長期服役的避雷針塔存在傾倒的安全隱患。變電站中的避雷針塔與母線或變壓器等設(shè)備距離較小，若發(fā)生傾倒事故，不僅造成避雷針塔的損壞，更會波及其周邊的電力設(shè)施，造成重大設(shè)備缺陷或電網(wǎng)事故，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失。

防止避雷針塔傾倒的有效方法是對長期服役的避雷針塔進行更換，但是一座避雷針塔的更換成本達百萬元，而且目前該地區(qū)長期服役的避雷針塔數(shù)量多達上千座，對其全部更換所產(chǎn)生的費用數(shù)額巨大，盲目的更換更會造成資金資源的浪費。因此，迫切需要對這些已經(jīng)長期服役避雷針塔進行安全性評估，確定是否可以繼續(xù)服役。靜態(tài)受力分析是進行安全性評定的重要步驟，通過應(yīng)力分析可確定避雷針塔的受力最大部位和變形最大部位，即易發(fā)生失效的危險點，之后可對危險點進行相關(guān)材料性能試驗，以確定其性能是否發(fā)生變化。以下以常見避雷針塔為例進行分析。

1建模過程

避雷針塔高30 m，截面為等邊三角形，塔底部寬1.14 m，從上至下分為A、B、C、D、E 5段，每段都有3根主材和若干根腹桿，腹桿與主材間采用焊接連接。各段的腹桿和主材圓截面半徑各異。避雷針塔在服役過程中受風(fēng)載荷和自重影響，考慮到主材和腹桿之間連接部分的影響，在分析過程中采用實體單元進行建模，建模工作在軟件pro-e中完成。避雷針塔各段主材和腹桿直徑不相同，其各段模型及直徑分別為：E段主材直徑28 mm，腹桿直徑25 mm；D段主材直徑25 mm，腹桿直徑20 mm；C段主材直徑25 mm，腹桿直徑18 mm；B段主材直徑22 mm，腹桿直徑14 mm；A段主材直徑18 mm，腹桿直徑12 mm，針尖直徑22 mm。避雷針塔模型如圖1。

2有限元分析前處理

2.1　模型導(dǎo)入

避雷針塔在服役過程中會受到風(fēng)載荷和自重影響，考慮到主材和腹桿之間連接部分的影響，在分析過程中采用實體單元進行建模，建模工作在軟件pro-e中完成后保存為sat格式后再導(dǎo)入有限元軟件Abaqus中進行靜力分析。

(a)　整體模型

(b)　局部放大圖

2.2　定義材料屬性

導(dǎo)入的模型不能直接劃分網(wǎng)格，應(yīng)首先對模型進行剖分，選擇在每500 mm長一段的中間進行剖分，剖分時選擇用平面進行，平面可以由xy基準平面開始選取合適的距離進行平移。隨后定義材料屬性，避雷針塔材料為Q235A鋼，定義彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa，計算時需考慮避雷針塔本身的自重，定義材料密度為7 850 kg/m3。

2.3　劃分網(wǎng)格

模型高30 m，底面寬1.14 m，模型較大且長細比大，在劃分網(wǎng)格時采用自由劃分的方式，單元類型選擇四面體單元，在某些危險地方進行網(wǎng)格細化，以確保計算的精確度。最終得到的單元數(shù)為1 564 723個。

2.4　模型約束

在工程實際中，避雷針塔的受力特點是，其底部固定在地面上或建筑物頂部平臺上，只受到水平風(fēng)載作用，即避雷針塔的迎風(fēng)面施加水平載荷，施加的約束為底部全方向上的固定約束，即底面上的節(jié)點不能沿X、Y、Z方向移動。

2.5　模型載荷的施加

在模型中加載材料屬性，考慮到避雷針模型總體尺寸很大，自重影響不可忽略，故在分析中施加載荷應(yīng)包括自重，其次就是施加風(fēng)載荷。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]，風(fēng)載荷的計算公式

W=βzμsμzμrW0

(1)

式中：βz為Z高度的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)載荷體型系數(shù)；μz為Z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μr為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，一般結(jié)構(gòu)取1.1，重要結(jié)構(gòu)取1.2,該文取1.2；W0為基本風(fēng)壓，kN/m2，按照設(shè)計要求取值為50 kN/m2。

μz的取值應(yīng)按地面粗糙度進行選擇，地面粗糙度分三等：近海海面、小島及大沙漠等；田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中、小城鎮(zhèn)及大城市郊區(qū)； 密集建筑群及較多高層建筑的大城市市區(qū)。該文采用B類粗糙度，從而根據(jù)表1選取相關(guān)μz。

表1風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz

離地面或海平面高度/m地面粗糙度類別A類B類C類5101520304050607080901001501.171.381.521.631.801.922.032.122.272.342.402.642.830.801.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.380.540.710.840.941.111.241.361.461.551.641.721.792.11

而μs的選取則根據(jù)W0×d2以及擋風(fēng)系數(shù)進行選取，d為構(gòu)件即圓鋼塔架的直徑(m)，經(jīng)過計算，該模型的擋風(fēng)系數(shù)為0.136 6，則角鋼塔架的整體體型系數(shù)根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選為2.3，圓鋼塔架的整體體型系數(shù)應(yīng)按角鋼乘以0.8，W0×d2小于0.002，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選取μs大概值為1.9。

βz的選?。害聑=1+ξ×ε1×ε2，其中ξ為脈動增大系數(shù)，ε1為風(fēng)壓脈動和風(fēng)壓高度變化等的影響系數(shù)，ε2為振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)。若不考慮脈動風(fēng)影響，則βz取值為1。

考慮嚴重情況，即有脈動風(fēng)，且T1=0.5s[1]，T1表示結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的1振型的自振周期(s)。

W0×T1為0.25(0.5 ×0.5=0.25)，故根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，ξ取值為2.09。同樣，根據(jù)避雷針塔總模型的高度，ε1的值選取為0.74。

而ε2的選取則應(yīng)根據(jù)各段相對高度和結(jié)構(gòu)頂部和底部的寬度比來進行選取，隨著高度的變化而變化。

選取相對高度為0.1列的相關(guān)參數(shù)?；撅L(fēng)壓W0=50 kN/m2。重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)為1.1。自此，各段所需施加的風(fēng)載荷(kN/m2)已經(jīng)確定，并將載荷從模型底部每隔500 mm依次施加到模型上并進行計算。施加載荷后如圖2所示。

圖2　施加載荷

3計算結(jié)果

從有限元模擬的結(jié)果可以看出，最大的綜合應(yīng)力在離地面5 m高度處，最大的綜合應(yīng)力為113.8 MPa。

為更清楚直觀觀察位移變化，將發(fā)生位移前和發(fā)生位移后模型同時顯示，沿著風(fēng)向位移分布如圖3所示，在針尖處的位移最大，為-453.3 mm。(負值表示是沿y軸負方向，因為風(fēng)載荷是沿著y軸負方向加載的)。

4結(jié)論

a. 通過對避雷針塔的有限元分析得知，其受到的最大的綜合應(yīng)力分布在5 m高度處σmax=113.8 MPa。

b. 最大變形發(fā)生在頂端Smax=453.3 mm。

c. 在風(fēng)載和約束條件共同作用下，避雷針塔變形云圖的變化不顯著，各項參數(shù)指標均控制在所用材料許用范圍內(nèi)，其結(jié)構(gòu)在靜態(tài)下的強度是符合設(shè)計要求的，避雷針塔能夠承受更大載荷，適應(yīng)更為惡劣的自然環(huán)境。

d. 通過應(yīng)力分析確定了避雷針塔的最大受力部位和變形最大部位，即易發(fā)生失效的危險點，在運行中可對危險點進行重點監(jiān)督檢查，有利于及時發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患；同時可對危險點的相關(guān)材料進行性能試驗，以確定其性能是否發(fā)生變化，為下一步的整塔安全性評定奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]GBJ 135-1990 ，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

本文責(zé)任編輯：靳書海