馬海云,何松洋,向 越,劉翔云,韓大剛
(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610000)
隨著輸電線路事業(yè)的迅速發(fā)展,線路的重要性等級不斷增加。輸電鐵塔結(jié)構(gòu)作為輸電線路中的重要組成部分,是大型生命線工程和電力輸送的核心支撐,在輸電線路建設(shè)成本中占據(jù)了較大的比重,對其結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造措施的研究顯得極其重要。鐵塔設(shè)計(jì)水平的高低直接影響線路運(yùn)行的安全,鐵塔設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)布置是否合理、鐵塔選材是否經(jīng)濟(jì),不但關(guān)系到整個(gè)工程建設(shè)的造價(jià)指標(biāo),同時(shí)也關(guān)系著工程建設(shè)的可靠性、美觀性和安全性。
在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,部分學(xué)者通過建立混合力學(xué)模型對輸電鐵塔強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,給出了加固處理的構(gòu)造措施[1],也對鐵塔相關(guān)桿件形式、截面材料、根開大小進(jìn)行了優(yōu)化[2]。針對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、桿系傳力、塔身分段高度的選擇等鐵塔設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題,相關(guān)學(xué)者對輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出了建議[3-4]。并且,其他學(xué)者通過考慮優(yōu)化算法對輸電塔的形狀、尺寸、選材進(jìn)一步優(yōu)化,在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上來減少鐵塔質(zhì)量[5-7]。合理的鐵塔布置不僅具有較好的安全可靠性,同時(shí)其造價(jià)也比較經(jīng)濟(jì),能夠達(dá)到安全與造價(jià)的最優(yōu)情況,是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。
本文以單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔為研究對象,通過數(shù)值模擬研究了不同的塔身坡度及交叉斜材角度對鐵塔質(zhì)量和基礎(chǔ)作用力的影響,從力學(xué)原理上對相關(guān)結(jié)論進(jìn)行了分析,以得到鐵塔的最優(yōu)塔身坡度和最優(yōu)交叉斜材角度。
選取單回路酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔進(jìn)行數(shù)值模擬分析。采用梁桿組合模型進(jìn)行數(shù)值模擬,其中桿單元采用Link8,梁單元采用Beam188,考慮材料非線性和幾何非線性,數(shù)值模型如圖1所示。
規(guī)劃的塔身坡度和典型控制工況如表1所示,懸垂塔和耐張塔分別選取了7種坡度,選取輕中冰區(qū)的典型控制工況(大風(fēng)和不均勻冰工況)進(jìn)行加載。
表1 規(guī)劃的塔身坡度
在進(jìn)行鐵塔質(zhì)量對比時(shí),計(jì)算質(zhì)量考慮板釘系數(shù)。
計(jì)算不同的塔身坡度和交叉斜材角度時(shí),鐵塔的受力材、輔助材及總質(zhì)量如圖2~圖4所示。
由圖2~圖4可知:
1)最優(yōu)受力材質(zhì)量隨著塔身坡度的增加先減小后增加。
2)輔助材質(zhì)量隨著坡度的增加持續(xù)增加。
3)整體上,總質(zhì)量隨著塔身坡度的增加先減小然后增加,最優(yōu)的坡度在0.1附近。
4)不同坡度對應(yīng)了不同的最優(yōu)交叉材角度,如圖中各線段最低點(diǎn)所示,最優(yōu)交叉材角度大約為32.5°~42.5°。
當(dāng)鐵塔口寬及交叉斜材角度一定時(shí),塔身坡度越小,鐵塔斜材、輔助材及隔面桿材就越短,受力也越小,質(zhì)量將會減輕。但鐵塔主材內(nèi)力將加大,主材規(guī)格就隨之增大。另外,主材質(zhì)量占鐵塔總質(zhì)量的比例大約為65%~75%,主材的大小對塔重的影響最大,因此,坡度持續(xù)減小過程中塔重最終會明顯增加。
反之,塔身坡度越大,根開就越大,塔身主材內(nèi)力就越小,主材規(guī)格就相應(yīng)減小,但此時(shí),鐵塔斜材、輔助材、隔面桿材的長度會增加,內(nèi)力隨之而增大,對應(yīng)規(guī)格將會急劇增加,且斜材、隔面桿材會受長細(xì)比控制,因此坡度持續(xù)增大過程中塔重最終也會明顯增加。因此,隨著塔身坡度的逐漸增大,受力材質(zhì)量先減小后增加,輔助材質(zhì)量持續(xù)增加,總質(zhì)量先減小后增加。
計(jì)算不同塔身交叉材角度及塔身坡度時(shí),鐵塔的受力材、輔助材及總質(zhì)量如圖5~圖7所示。
由圖5~圖7可知:
1)與單回酒杯懸垂塔不同,除了交叉材角度為42.5°且坡度為0.09時(shí),雙回鼓形懸垂塔受力材質(zhì)量突然增加外,受力材質(zhì)量整體隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。
2)輔助材質(zhì)量隨著坡度的增加持續(xù)增加。
3)除了交叉斜材角度為42.5°且坡度為0.09時(shí)總質(zhì)量突然增加外,總質(zhì)量整體隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。
計(jì)算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度時(shí)鐵塔的基礎(chǔ)作用力如圖8,圖9所示。
由圖8,圖9可知:
1)同一塔身坡度時(shí),不同交叉斜材角度對應(yīng)的基礎(chǔ)作用力基本相當(dāng),最大差距僅為2.05%。
2)同一交叉斜材角度時(shí),基礎(chǔ)下壓力和基礎(chǔ)上拔力隨塔身坡度的變化規(guī)律保持一致,即塔身坡度越大,基礎(chǔ)作用力就越小。
因此,對于征地沒有特別限制的地區(qū),可以加大塔身坡度,降低基礎(chǔ)造價(jià),進(jìn)而降低線路工程總造價(jià)。
計(jì)算得到不同塔身坡度及交叉斜材角度時(shí)鐵塔的基礎(chǔ)作用力如圖10,圖11所示。
由圖10,圖11可知:
1)同一塔身坡度時(shí),不同交叉斜材角度對應(yīng)的基礎(chǔ)作用力基本相當(dāng),最大差距僅為3.6%。
2)同一交叉斜材角度時(shí),基礎(chǔ)下壓力和基礎(chǔ)上拔力隨塔身坡度的變化規(guī)律保持一致,即塔身坡度越大,基礎(chǔ)作用力就越小,與3.1結(jié)論一致。
本文主要選取了輕中冰區(qū)單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔等典型鐵塔作為研究對象,通過數(shù)值模擬研究了不同的塔身坡度和交叉斜材角度對鐵塔質(zhì)量和基礎(chǔ)作用力的影響,研究結(jié)論如下:
1)單回酒杯懸垂塔的受力材質(zhì)量及總質(zhì)量隨著塔身坡度的增加先減小后增加,最優(yōu)坡度分別約為0.1及0.12;而雙回鼓形懸垂塔的受力材質(zhì)量及總質(zhì)量隨著塔身坡度的增加而持續(xù)增加。不同坡度對應(yīng)了不同的最優(yōu)交叉材角度,最優(yōu)交叉材角度大約為32.5°~42.5°。
2)單回酒杯懸垂塔和雙回鼓形懸垂塔的輔助材質(zhì)量隨著塔身坡度的增加均持續(xù)增加。
3)同一塔身坡度時(shí),不同交叉斜材角度對應(yīng)的基礎(chǔ)作用力基本相當(dāng);而同一交叉材角度時(shí),塔身坡度越大,基礎(chǔ)下壓力和基礎(chǔ)上拔力越小。