蔡梓濤 潘兆東 劉良坤 艾心熒 沈博謙

東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院 廣東 東莞 523000

引言

近年來，我國的能源開發(fā)重心加速向西部轉(zhuǎn)移，將西部地區(qū)的能源資源供往東部沿海地區(qū)，“西電東送”便是其中一個(gè)措施，為滿足遠(yuǎn)距離輸送配電要求，需保證輸電塔這一重要生命線工程的安全性和可靠性[1]。鑒于此，第十三屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求設(shè)計(jì)、制作一個(gè)山地輸電塔模型，該模型需能承受風(fēng)荷載、導(dǎo)地線荷載等多種荷載作用，同時(shí)滿足比賽對(duì)模型變形撓度和材料利用率的限值要求[2]。

1 模型制作要求

輸電塔模型柱腳用自攻螺釘固定在支座底板250mm×250mm的正方形區(qū)域內(nèi)。模型上設(shè)置有用于懸掛導(dǎo)線的2個(gè)“低掛點(diǎn)”和1個(gè)“高掛點(diǎn)”，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)距離底板的高度和其投影距底板中心點(diǎn)的距離須在規(guī)定的范圍內(nèi)。

2 模型方案

2.1 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

為滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)理念，本文研究了以下幾種增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，其具體特征見表1。

表1 增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)

綜合考慮節(jié)點(diǎn)受力形式、大小和美觀性等因素，對(duì)于主要受力節(jié)點(diǎn)，采用竹粉固結(jié)的處理方式，同時(shí)外包竹皮提高美觀性，對(duì)于次要節(jié)點(diǎn)采用竹皮外包和嵌入小塊處理。

2.2 受壓桿件截面優(yōu)化

為提高受壓桿件的穩(wěn)定性，制作并分析了以下幾種型式的桿件截面，其具體特征見表2。

表2 桿件截面方案

綜合考慮抗壓強(qiáng)度、慣性矩、材料利用率和制作難易程度等因素，主桿須采用箱型截面或三角形截面，保證結(jié)構(gòu)安全性和可靠性，塔尖和塔臂部位桿件采用角鋼截面，節(jié)省材料的同時(shí)有效保證抗壓強(qiáng)度。

2.3 塔尖及塔臂優(yōu)化

在保證塔尖強(qiáng)度、塔臂穩(wěn)定性、剛度和承載力的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了如表3、4所示的幾種方案，并對(duì)其受力特性進(jìn)行了比較。

表3 塔尖部位方案

表4 塔臂部位方案

2.4 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

通過對(duì)多種方案進(jìn)行優(yōu)化組合，設(shè)計(jì)了如表5所示的4種結(jié)構(gòu)體系。綜合考慮結(jié)構(gòu)幾何形狀、荷載形式、長(zhǎng)細(xì)比及不同體系的抗扭、抗彎性能等因素，最終確定采用仰角塔臂桁架體系。

3 仿真分析驗(yàn)算

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)信息

利用Midas有限元分析軟件進(jìn)行建模與分析，首先對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行了如下定義[3]：①材料密度為0.8g/cm3，泊松比為0.3，順紋抗拉強(qiáng)度為60MPa，抗壓強(qiáng)度為30MPa，彈性模量為60GPa；②幾何信息：立柱、橫桿使用截面為箱型截面，塔尖和塔臂為角鋼截面，斜拉為實(shí)腹長(zhǎng)方形截面；③結(jié)構(gòu)支座：施加固定端約束。

3.2 靜荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

限于篇幅，本文僅以45°下坡門架工況為例進(jìn)行三級(jí)荷載模擬分析：①一級(jí)加載選取4kg+4kg+4kg的導(dǎo)線荷載工況加于高掛點(diǎn)；②一級(jí)荷載基礎(chǔ)上，二級(jí)加載選取每根導(dǎo)線4kg+4kg+4kg的導(dǎo)線荷載工況加于低掛點(diǎn)；③一、二級(jí)荷載基礎(chǔ)上，三級(jí)加載選取10kg的水平荷載工況加于高掛點(diǎn)。

表6為該模型關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移計(jì)算結(jié)果，通過對(duì)比分析可以看出：①一級(jí)荷載下，結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在塔尖部分，達(dá)9.05mm；②二級(jí)荷載下，由于懸臂長(zhǎng)度大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受扭后，懸臂末端的位移達(dá)到22.77mm。因此，比賽時(shí)可考慮使用更剛的拉桿來滿足撓度要求；③三級(jí)加載對(duì)部分壓桿有利，懸臂兩端位移達(dá)到24.18mm和27.64mm，由于三級(jí)荷載不考慮限空，所以只要保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞即可。

3.3 風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

以西安地區(qū)風(fēng)荷載信息為例，同時(shí)考慮輸電塔所處的山地環(huán)境對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析模型在風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力和位移。根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012[4]求得該風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值3.59KN/m2，迎風(fēng)面截面面積19550mm2，結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載大小70N。通過有限元仿真分析的結(jié)果可知，輸電塔迎風(fēng)面構(gòu)件受拉，背面構(gòu)件受壓，軸力最大值為76N，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大位移為3.06mm（見表6），均遠(yuǎn)低于限值。

3.4 實(shí)際加載

對(duì)模型進(jìn)行多次加載，并將有限元結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)：①整體變形接近仿真分析結(jié)果，但由于桿件間是由502膠水進(jìn)行黏結(jié)，節(jié)點(diǎn)處容易脫落，此時(shí)可以在節(jié)點(diǎn)外包裹竹粉，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的傳力性；②部分受拉桿件會(huì)發(fā)生松弛，因此，在制作模型時(shí)需使受拉桿件處于預(yù)拉狀態(tài)；③在加載過程中模型發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，可用竹粉制作凹槽以防止導(dǎo)線滑移脫落而出現(xiàn)的加載失敗情況；④為防止模型底端四個(gè)柱腳節(jié)點(diǎn)在加載時(shí)破壞，通過竹皮的膠結(jié)作用將竹片和立柱膠結(jié)在一起提高整體受力性能，防止因柱腳受彎、剪而引起局部破壞。

表5 結(jié)構(gòu)體系方案

表6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移

4 結(jié)束語

通過改善節(jié)點(diǎn)制作工藝，對(duì)比不同桿件截面的抗壓強(qiáng)度，分析不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了仰角塔臂桁架體系，并結(jié)合仿真分析和加載試驗(yàn)，最終確定本優(yōu)化模型，提高了材料利用率和荷質(zhì)比，并確保滿載情況下滿足變形要求。