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        風(fēng)載作用下材料參數(shù)對電纜終端桿塔力學(xué)特性的影響

        2022-11-09 03:05:20蔡冰冰韓承永盛金馬朱曉峰葛宜俊楊進劉爽汪亦顯
        安徽建筑 2022年10期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)載主材桿件

        蔡冰冰,韓承永,盛金馬,朱曉峰,葛宜俊,楊進,劉爽,汪亦顯

        (1.安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,安徽 合肥 230031;2.安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司,安徽 合肥 230041;3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

        1 引言

        我國東部地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展,但能源匱乏且用電負荷相對集中,造成了能源資源與電力電荷分布不均勻的現(xiàn)狀,隨著西部地區(qū)的能源開發(fā)與輸送能力的發(fā)展,極大程度地推進了西電東送工程的落實與發(fā)展[1]。高壓輸電工程關(guān)系到社會生存發(fā)展的大計,城市輸電線路中電力電纜與架空線相連接,構(gòu)成了城市電網(wǎng)中的“電纜-架空線”混合線路,其中電纜終端桿塔就承擔(dān)著城市架空線路向電纜轉(zhuǎn)化的作用。電纜終端桿塔屬于高聳建筑物,因此,所處的環(huán)境風(fēng)載荷比較大,終端桿塔又屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),對桿塔的構(gòu)造強度與穩(wěn)定性有著較高的要求[2]。

        基于此,國內(nèi)外學(xué)者完成了很多關(guān)于輸電桿塔在風(fēng)載荷下的穩(wěn)定性與可靠度研究。張博[3]通過對不同風(fēng)荷載條件下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征進行有限元分析,研究了相應(yīng)風(fēng)荷載條件下輸電桿塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。劉慕廣[4]利用風(fēng)洞試驗與荷載響應(yīng)相關(guān)法對桿塔進行等效對比分析,結(jié)果表明,建立的基于氣彈模型位移響應(yīng)來識別輸電塔結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載的試驗分析方法合理、有效。竇漢嶺[5]采用諧波合成法在Matlab 中模擬出風(fēng)荷載,通過Newmark法對轉(zhuǎn)角輸電塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)進行時程分析,研究得出桿塔的風(fēng)振特性。侯景鵬[6]運用有限元軟件分析輸電塔在靜力風(fēng)荷載下的非線性穩(wěn)定性及各級動力風(fēng)荷載下的瞬態(tài)變化,采用B-R 準(zhǔn)則和位移相等準(zhǔn)則判斷動態(tài)失穩(wěn)并以理論驗證,結(jié)果表明,脈動風(fēng)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大。杜偉[7]采用有限元法對各種加固方案進行應(yīng)力強度計算和局部穩(wěn)定性分析,并給出了加固桿件的設(shè)計及節(jié)點連接方式的構(gòu)造措施。張琳琳[8]應(yīng)用概率密度演化方法對某輸電塔結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用下的動力可靠度進行了分析,結(jié)果表明,概率密度演化方法可以準(zhǔn)確、有效地分析風(fēng)荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)的動力可靠度。

        通過分析電纜終端桿塔的構(gòu)造與材料參數(shù),在有限元軟件中進行終端桿塔桿件材料參數(shù)的定義,考慮終端桿塔在自重與靜力風(fēng)荷載共同作用下的受力情況,通過有限元分析結(jié)果研究得出桿塔反映出的力學(xué)特性,并通過分析結(jié)果找出終端桿塔在風(fēng)載作用下的薄弱部位,最終得到電纜終端桿塔桿件材料參數(shù)與桿塔自身抵抗風(fēng)載的強度與穩(wěn)定性的關(guān)系。

        2 桿塔有限元模型的建立

        2.1 桿塔模型簡介

        電纜終端桿塔是將架空線與電力電纜相連接的塔形結(jié)構(gòu),按照電纜終端布置形式的不同,將電纜終端塔分成電纜終端站(電纜終端塔有電纜終端頭安裝在地面立柱上)、承臺式?jīng)_油電纜終端(電纜終端頭安裝在塔身電纜終端承臺上)和戶外干式柔性終端(電纜終端頭安裝在塔頭橫擔(dān)處)三種主要形式。電纜終端桿塔較耐張型輸電桿塔以及轉(zhuǎn)角型輸電桿塔而言,具有承擔(dān)不平衡張力等更為嚴(yán)苛的受力條件。根據(jù)常見形式的電纜終端桿塔結(jié)構(gòu)特點,不考慮導(dǎo)線對終端桿塔的荷載作用,單獨選取其相同的主體塔身等部位作為有限元分析對象。

        2.2 桿塔的有限元單元與邊界條件

        一般而言,電纜終端塔通常都是由角鋼組合而成的桿件,通過螺栓以及連接板組成的連接點相互連接構(gòu)成。通過對模型進行簡化,以達到加快結(jié)果收斂速度進而提高計算精度的目標(biāo)。在模型邊界條件方面,約束終端桿塔四個塔腳的所有位移,使之與大地剛接。為了使螺栓與連接板組成的連接點具有傳遞彎矩的作用,將其簡化為剛節(jié)點。在節(jié)點單元建立方面,將終端桿塔的桿件簡化為梁單元進行模擬計算,如圖1所示。

        圖1 終端桿塔有限元模型

        本文案例采取的電纜終端桿塔塔高41.5m,且終端桿塔的桿件材料參數(shù)分別從其截面與材料特性兩方面進行研究,分別對終端桿塔的主材、斜材和輔材給予不同的角鋼截面面積與材料參數(shù),形成對應(yīng)的模擬工況,如表1所示。

        終端桿塔材料參數(shù)工況表 表1

        3 終端桿塔自重與風(fēng)荷載的計算及加載

        終端桿塔所承受的荷載可分為桿塔自重產(chǎn)生的垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載。本文采取Midas/Civil軟件對電纜終端桿塔進行力學(xué)特性分析,由于軟件能根據(jù)所確定的單元參數(shù)自動對桿塔模型進行自重計算,因此只需要確定構(gòu)成模型中桿件的截面特性與材料參數(shù)。由《架空送電線路鋼管桿設(shè)計技術(shù)規(guī)定》與《輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計》可知,風(fēng)荷載隨著構(gòu)造物的高度不同,相應(yīng)風(fēng)速也會不同,所以桿塔在每個高度處所產(chǎn)生的水平荷載也會不同[9]。電纜終端桿塔布置在輸電線路中需要由架空線路轉(zhuǎn)下接電纜敷設(shè)的各個地區(qū)與環(huán)境中,因此終端桿塔會由當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境影響,承受著不同角度以及不同風(fēng)速的風(fēng)荷載的作用。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計算,根據(jù)每個地區(qū)都有對應(yīng)的風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值,再依據(jù)相應(yīng)規(guī)范中的風(fēng)荷載計算公式將其轉(zhuǎn)化為集中力,最后對終端桿塔塔材節(jié)點進行相應(yīng)力的施加。

        電纜終端桿塔自重荷載以及風(fēng)荷載的計算公式均采用上述規(guī)范與文本。因此,終端桿塔重力荷載按照軟件自帶的計算功能,在每個單元施加。風(fēng)荷載簡化為集中力,均勻分布至主材迎風(fēng)面的各個節(jié)點上[10],如圖2所示。

        圖2 終端桿塔風(fēng)荷載施加方式

        4 自重與風(fēng)荷載作用下桿塔的模擬

        考慮材料參數(shù)對桿塔自身的重力荷載產(chǎn)生的影響,對相應(yīng)工況的終端桿塔施加不同攻風(fēng)角與風(fēng)速的靜態(tài)風(fēng)荷載進行數(shù)值模擬分析。終端桿塔需要在不同攻風(fēng)角的風(fēng)荷載作用下,保持桿塔自身的穩(wěn)定性,更要保證桿塔在承受不同條件風(fēng)荷載的同時而不被破壞[11~12]。模擬施加的風(fēng)荷載采用20m/s 的風(fēng)速,攻風(fēng)角采取0°與90°兩種不同角度。利用規(guī)范要求中的風(fēng)載計算規(guī)定,將風(fēng)速換算成節(jié)點荷載施加在桿塔模型上,得出不同材料參數(shù)的電纜終端桿塔在風(fēng)載下的應(yīng)力及位移。

        圖3是工況1條件下,在攻風(fēng)角分別為0°、90°時的應(yīng)力變形云圖,根據(jù)桿件單元局部位移結(jié)果可知,兩種攻風(fēng)角風(fēng)載下最大應(yīng)力變形均出現(xiàn)在桿塔背風(fēng)處的塔腿主材,此處塔腿主材桿件受到風(fēng)荷載與重力共同作用出現(xiàn)受壓狀態(tài)。此外,兩種攻風(fēng)角情況下,塔腿迎風(fēng)處以及背風(fēng)處最下端連接兩根塔腿主材的橫材,均出現(xiàn)較大的位移,二者位移方向均偏向桿塔中軸線,說明風(fēng)荷載作用下,此處是桿塔薄弱點,應(yīng)當(dāng)注意對桿塔此處的加固。

        圖3 與圖4 表示工況1 至 工況5 條件下,在攻風(fēng)角為0°情況下的總應(yīng)力變形云圖,由圖可以看出,所有工況在風(fēng)載作用下,桿件發(fā)生受壓的最大應(yīng)力均大于受拉時的最大應(yīng)力,相同風(fēng)荷載作用下,桿塔最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況4 的90°攻風(fēng)角風(fēng)載條件下,其值為63.21MPa,桿塔最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在工況3 的90°攻風(fēng)角風(fēng)載條件下,其值為123.22MPa。此外,相同風(fēng)速情況下攻風(fēng)角為0°時,桿塔的最大應(yīng)力及位移均小于90°攻風(fēng)角時桿塔的最大應(yīng)力及位移,由于在施加風(fēng)荷載時0°攻風(fēng)角條件的迎風(fēng)面風(fēng)載施加節(jié)點數(shù)要少于90°攻風(fēng)角條件時的節(jié)點數(shù),導(dǎo)致在相同風(fēng)速下桿塔受力大小出現(xiàn)差異,這也是導(dǎo)致前者對桿塔產(chǎn)生的應(yīng)力與位移普遍小于后者的重要原因。

        圖3 兩種攻風(fēng)角下工況一的桿塔應(yīng)力變形云圖

        圖4 攻風(fēng)角為0°時各工況的桿塔應(yīng)力變形云圖

        桿塔在各工況條件下的最大位移均出現(xiàn)在電纜終端桿塔的塔頂部位,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在桿塔的下部塔腿處,電纜終端桿塔的這兩處均是桿塔在受到風(fēng)載作用下最容易受到破壞的部位。此外,在塔身下橫擔(dān)與塔腿主材相連的坡面過渡處也出現(xiàn)相對較大的應(yīng)力變形與位移。因此,在桿塔設(shè)計及施工時應(yīng)當(dāng)注意對上述部位的加固處理,終端桿塔在檢修時也應(yīng)當(dāng)著重注意這些部位的桿件質(zhì)量檢查。

        由表1 與表2 可知,工況1 與工況2反映了桿塔主材材料對桿塔在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的影響,從桿塔應(yīng)力與位移結(jié)果可以看出,主材材料特性對桿塔在風(fēng)載下所起到的影響較?。还r1與工況3反映了桿塔主材截面面積對桿塔在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的影響,且在主材所用桿件的截面積相對減小后,其中在90°攻風(fēng)角的風(fēng)載條件下工況3 桿塔的應(yīng)力與位移在所有工況中是最大的,其中最大應(yīng)力值 為123.22MPa,最 大 位 移 值 為63.74mm,可以看出主材截面是影響桿塔在風(fēng)載作用下產(chǎn)生變形與位移的重要因素,在桿塔設(shè)計施工時應(yīng)當(dāng)著重對主材截面的最優(yōu)化選擇。

        各工況下終端桿塔的最大應(yīng)力與位移 表2

        工況2 與工況4 反映了斜材以及橫材截面對桿塔產(chǎn)生的影響,可以看出兩工況中的斜材以及橫材截面特性對桿塔造成的力學(xué)特性相比,后者在相同風(fēng)荷載的作用下造成的應(yīng)力變形與位移也越大,因此,斜材以及橫材截面積的選擇對加強桿塔抵抗風(fēng)載的強度也起到了重要作用。工況2 與工況5 反映了桿塔斜材以及橫材材料特性對桿塔產(chǎn)生的影響,在0°攻風(fēng)角下桿塔產(chǎn)生的位移前后則相差2%,而90°攻風(fēng)角下桿塔產(chǎn)生的位移前后則相差0.6%,從結(jié)果來看兩工況桿塔在風(fēng)載下產(chǎn)生位移幾乎無差別。此外,在工況5 的0°攻風(fēng)角條件下出現(xiàn)了最小應(yīng)力與最小位移,其中最小應(yīng)力其值 為93.85MPa,最 小 位 移 其 值 為43.48mm,值得注意的是其余工況1 以及工況2 結(jié)果相比,三者的應(yīng)力與位移數(shù)值十分接近。

        5 結(jié)論

        本文通過運用Midas/Civil軟件對電纜終端桿塔進行模擬計算,通過建立不同工況下桿塔的有限元模型,分別對各工況條件下的桿塔進行有限元數(shù)值模擬。通過分析對比桿塔風(fēng)荷載模擬下的應(yīng)力云圖與位移云圖,得出以下結(jié)論。

        ①電纜終端桿塔在風(fēng)荷載下出現(xiàn)的最大受壓應(yīng)力大于最大受拉應(yīng)力;

        ②相同風(fēng)速情況下攻風(fēng)角為0°時終端桿塔的最大應(yīng)力及位移均小于90°攻風(fēng)角時,終端桿塔的最大應(yīng)力及位移主要是90°攻風(fēng)角時,施加的節(jié)點荷載較0°攻風(fēng)角條件時更多,即終端桿塔的風(fēng)載受力面更大;

        ③電纜終端桿塔在各工況條件下的最大位移均出現(xiàn)在電纜終端桿塔的塔頂部位,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在桿塔的下部塔腿處,其次在塔身下橫擔(dān)與塔腿主材相連的坡面過渡處,也出現(xiàn)相對較大的應(yīng)力變形與位移,桿塔設(shè)計施工時應(yīng)當(dāng)注意對上述部位的加固處理;

        ④主材以及斜材(橫材)截面特性改變會影響桿塔在風(fēng)載下的強度及穩(wěn)定性,主材以及斜材(橫材)的材料特性變化對桿塔抵抗風(fēng)載的強度及穩(wěn)定性影響效果不明顯;

        ⑤相同風(fēng)荷載條件下,當(dāng)終端桿塔的主材截面特性從工況1 降低到工況3時,桿塔出現(xiàn)了工況中的最大應(yīng)力與位移,其中最大應(yīng)力值為123.22MPa,最大位移值為63.74mm,設(shè)計施工時需要注意主材截面的最優(yōu)化選擇。

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