北京市結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)

1、高壓線塔架計(jì)算書(shū)目錄一、 前言1二、 模型加工圖及結(jié)構(gòu)選型1三、 材料性能43.1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能參數(shù)四、 結(jié)構(gòu)建模4.1計(jì)算假設(shè)4.2計(jì)算模型4.3材料主要參數(shù)五、 受荷分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核5.1水平靜載作用下應(yīng)力與剛度分析5.2沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核六、 模型加工6.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)6.2模型加工附錄一、 前言隨著能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)行，電力設(shè)施成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈。而作為其支柱的高壓電線塔架的重要性日益凸顯，它的主要設(shè)計(jì)要求是“堅(jiān)固而經(jīng)濟(jì)”。本塔架形式獨(dú)特，設(shè)計(jì)精巧，采用四層對(duì)稱(chēng)塔式結(jié)構(gòu)，桁架布置經(jīng)濟(jì)有效，嚴(yán)格按照規(guī)則要求設(shè)計(jì)，做到了堅(jiān)固實(shí)用，精致大方。輸電塔通常是用金屬材料軋制成的型鋼和

2、鋼板做基本構(gòu)件，采用焊接或螺栓連接等方法，按照一定結(jié)構(gòu)組成規(guī)則連接起來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在電力輸送環(huán)節(jié)起著重要的作用。一條送電線路由發(fā)電廠開(kāi)始，到用電單位結(jié)束，中間要穿越村莊、農(nóng)田、森林和高山，跨越河流、公路、鐵路等，塔架結(jié)構(gòu)作為送電線路的重要組成部分，起著支撐和架空電力線的作用。在送電線路工程中，高壓和超高壓送電線路工程，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的生命線工程，線路中的高壓線塔架結(jié)構(gòu)擔(dān)負(fù)著架空電力線的重任，不言而喻其作用是極其重要的。圖1. 塔架的各種結(jié)構(gòu)形式塔架結(jié)構(gòu)型式主要有鋼管拉索，柱形桁架拉索，塔型桁架，椎管和折疊塔桿五種結(jié)構(gòu)形式，所選用的塔型桁架，頂部截面結(jié)構(gòu)尺寸小，根部界面結(jié)構(gòu)尺寸大，可以按照等強(qiáng)

3、度減少耗材的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，塔架的性?xún)r(jià)比較高，在松軟地質(zhì)的地面上，采用這種塔架，節(jié)省基礎(chǔ)用材料，減少基礎(chǔ)挖掘深度，降低工程造價(jià)。二、 模型加工圖及結(jié)構(gòu)選型我們綜合比較了各種模型以及桁架布置之后，選擇了如圖1所示的模型作為最終的模型進(jìn)行分析計(jì)算和制作。（為能使俯視圖更加清晰，所以三視圖未按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)位置擺放。）模型所用材料截面及尺寸見(jiàn)表1。3A21BA四層三層二層一層圖2. 塔架結(jié)構(gòu)正視圖以及桿編號(hào) 圖3. 塔架結(jié)構(gòu)左視圖及桿編號(hào)圖4. 塔架結(jié)構(gòu)俯視圖及桿編號(hào)表1. 材料表?xiàng)U編號(hào)橫截面積（mmmm）桿長(zhǎng)（mm）根數(shù)桿編號(hào)橫截面積（mmmm）桿長(zhǎng)（mm）根數(shù)134711.484142213522462

4、901152222183238041622768424170417226245225721822494624134419221732724107220243688822140821237089245322223112810221968232323541122738242333221223206225231394132211522624218因?yàn)椤癤”型結(jié)構(gòu)維持整體以良好的穩(wěn)定性和抗彎抗扭能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圍繞每層的“X”型部分展開(kāi)，并在其上做相應(yīng)的小結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定補(bǔ)充。按照結(jié)構(gòu)整體等強(qiáng)原則，塔架每層高度不同，經(jīng)過(guò)多次強(qiáng)度分析比較，最終選定為自上而下2:3:3:6比例制作，各層結(jié)構(gòu)標(biāo)號(hào)如上圖，下面分層分

5、析選型原因及懸臂部分設(shè)計(jì)。一層：C、D桿將載荷傳遞到未加載一面，避免載荷集中于一面而另一面卻不會(huì)受到較大應(yīng)力的情況，以減小受力一側(cè)的應(yīng)力值；E橫桿分配外載，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。正面、側(cè)面僅有“X”結(jié)構(gòu)即可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，因?yàn)閼冶鄄糠衷O(shè)計(jì)已十分穩(wěn)固，如此簡(jiǎn)單處理即可滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求。二層：正面、側(cè)面結(jié)構(gòu)不同，這是考慮到在比賽要求的沖擊載荷作用下，兩側(cè)面受力情況不相同的緣故。主視圖內(nèi)，A梁主要承受向紙內(nèi)偏左方向的彎曲和自上向下看順時(shí)針的扭轉(zhuǎn)，而左視圖內(nèi)，B梁主要承受向左的彎曲。在前后兩面，一二層交界處各添加橫梁支撐以防止主梁在1節(jié)點(diǎn)處斷裂；“X”型結(jié)構(gòu)上各添加兩豎桿可以起到縮短桿長(zhǎng)從而防止“X”型結(jié)構(gòu)木桿太長(zhǎng)而

6、失穩(wěn)。在左右兩面，層內(nèi)添加兩根橫梁可以防止A、B梁變形過(guò)大，使層內(nèi)斜桿瞬間承受巨大沖擊發(fā)生斷裂；在“X”結(jié)構(gòu)上各添加兩豎桿，原因是縮短桿長(zhǎng)，防止失穩(wěn)。二、三層交界處：添加水平十字交叉結(jié)構(gòu)，減弱塔架在水平方向內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。三層：前后兩面在“X”型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加中點(diǎn)三角形，此處借鑒了已經(jīng)投入使用的真實(shí)塔架的細(xì)節(jié)處理，大量實(shí)驗(yàn)證明，它 圖5. 支腳部分細(xì)節(jié)圖不僅穩(wěn)定性好而且分散受力，處于第三層的位置較為穩(wěn)妥合適。而左右兩面借鑒第二層左右兩面的結(jié)構(gòu)，并且為了進(jìn)一步節(jié)約材料省去上面的橫桿，在保證了強(qiáng)度的同時(shí)使模型更輕。四層：按照世紀(jì)實(shí)際塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“X”型加中點(diǎn)三角形結(jié)構(gòu)，另外在高100m

7、m處增加橫桿和水平十字交叉結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足安裝時(shí)的凈空要求，也進(jìn)一步提高了抗扭剛度。在支腳的35mm高度加水平橫梁結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）以便于在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)固定。三、材料性能3.1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)依據(jù)材料性能測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我們適度簡(jiǎn)化，將工件制作成如圖6所示形狀，標(biāo)記有效長(zhǎng)度，制作兩端的夾頭。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，拉伸加載速度為1mm/min,彎曲試驗(yàn)的加載速度為2mm/min,破壞區(qū)在有效區(qū)內(nèi)算作有效。 圖6. 實(shí)驗(yàn)試樣圖（含對(duì)照）對(duì)以上試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后（試樣固定見(jiàn)圖7，斷口見(jiàn)圖8、圖9、圖10）得到一系列數(shù)據(jù)。 圖7. 加載前試樣被固定 圖8. 加載后試樣1斷裂 圖9. 試樣1斷裂細(xì)節(jié)圖 圖10. 加載后試樣2斷

8、裂 3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能參數(shù)加載實(shí)驗(yàn)中得到了以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)三組結(jié)果的情況求平均值，計(jì)算材料的彈性模量E和許用應(yīng)力。22桿拉伸試驗(yàn)：橫截面積 伸長(zhǎng)量 屈服受力有效長(zhǎng)度 彈性模量許用應(yīng)力值24桿壓縮試驗(yàn)：橫截面積 伸長(zhǎng)量 最大受力有效長(zhǎng)度 彈性模量許用應(yīng)力值46桿壓縮試驗(yàn)：橫截面積 伸長(zhǎng)量 最大受力有效長(zhǎng)度 彈性模量許用應(yīng)力值由此可見(jiàn)，木材的力學(xué)性能有很大的離散性。 又考慮到壓桿穩(wěn)定性的問(wèn)題，將木材的許用應(yīng)力取為20MPa，計(jì)算桿的柔度。桿的臨界柔度：mm4.3材料主要參數(shù)在本模型中，采用的材料尺寸為22,23，24,34根據(jù)測(cè)得的材料性能，計(jì)算各尺寸參數(shù)如表2：(E取平均值2.5GPa，值取上

9、述計(jì)算中的最小值22.5MPa）表2. 材料主要性能參數(shù)尺寸(mmmm)抗拉剛度EA（GPam2）抗拉剛度EA（GPam4）極限彎矩Mu（Nm）最小失穩(wěn)長(zhǎng)度l（mm）許用應(yīng)力（MPa）2x210k0.00830.09640.522.52x315k0.02800.216121.62x420k0.06670.38481.13x430k0.09972.304121.6四、結(jié)構(gòu)建模4.1計(jì)算假設(shè)塔架底部四角和水平桿可由支座固定，不會(huì)發(fā)生偏移轉(zhuǎn)動(dòng)，所以水平桿在計(jì)算過(guò)程中可以忽略，而為了計(jì)算簡(jiǎn)便，僅僅認(rèn)為四個(gè)支座底部四點(diǎn)自由度為零。結(jié)構(gòu)會(huì)受到扭轉(zhuǎn)的沖擊載荷作用，因而采用空間梁?jiǎn)卧猙eam4進(jìn)行計(jì)算。加載時(shí)

10、，由于加載點(diǎn)距結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)軸的距離為125mm，多余伸出的20mm予以忽略。計(jì)算時(shí)所有載荷均視為作用于節(jié)點(diǎn)的集中力。在計(jì)算時(shí)，因模型主要為拉壓桿，故可視木材為各向同性材料，即許用應(yīng)力=22.5MPa，彈性模量E=2.5GPa。4.2計(jì)算模型由以上假設(shè)結(jié)合加載時(shí)的實(shí)際情況，計(jì)算模型如下圖所示圖11.計(jì)算模型及約束情況五、受荷分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核利用ANSYS軟件我們進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，得到結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)力位移，由于結(jié)構(gòu)受到彎矩和軸力的共同作用，所以采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，在ANSYS中使用von mises stress（Mises等效應(yīng)力）值進(jìn)行校核。現(xiàn)從以下幾個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：5.1水平靜載作

11、用下應(yīng)力與剛度分析30N當(dāng)結(jié)構(gòu)受到30N靜載作用時(shí)，我們將作用力等效為懸臂伸出的節(jié)點(diǎn)處的一個(gè)集中力，沿x軸正方向，大小30N。圖12. 30N靜載作用計(jì)算模型5.1.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力云圖（圖13）在水平靜載的作用下，受拉面最大軸力出現(xiàn)在第三層，剪力彎矩比較均勻的從最頂層傳遞到了下面。結(jié)構(gòu)的整體變形呈現(xiàn)彎曲的主要特點(diǎn)，隨著高度的增大，位移不斷增大。受壓面整體情況類(lèi)似，最大受力出現(xiàn)在第三層。這同時(shí)說(shuō)明，在第三層的節(jié)點(diǎn)加固的必要。5.1.2結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算結(jié)構(gòu)變形圖（圖14）加載時(shí)位移計(jì)測(cè)量位置與力作用位置的位移可以認(rèn)為是相等的。而根據(jù)云圖的顯示最大水平位移出現(xiàn)在懸臂端點(diǎn)，也就是靜載力的作用點(diǎn)處，大小

12、為2.948mm，根據(jù)所計(jì)算的其他模型顯示此位移值的大小較為適中，能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)剛度的要求。圖13. 30N水平靜載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖圖14. 30N水平靜載作用下節(jié)點(diǎn)位移云圖5.2沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核根據(jù)要求，在維持20N靜載扭轉(zhuǎn)作用力時(shí)，從100mm的高度將10N的砝碼自由落體進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。因而我們計(jì)算10N的載荷以靜載荷的方式等效施加到模型上，計(jì)算獲得扭轉(zhuǎn)時(shí)結(jié)構(gòu)的最大位移st=1.461mm，如圖4.4所示，利用公式從而進(jìn)一步計(jì)算得到載荷的動(dòng)力放大系數(shù)Kd=12.74。在考慮已存在的20N作用力，這一沖擊過(guò)程等效的作用力大小為147.4N。為了保證結(jié)構(gòu)不處于臨界損壞狀態(tài)，取作用力為

13、150N。圖15. 10N扭轉(zhuǎn)力作用下結(jié)構(gòu)位移云圖由此可以得到?jīng)_擊載荷作用下的計(jì)算模型如下圖所示：150N圖16.沖擊載荷計(jì)算模型利用ANSYS，我們可以計(jì)算得到整體的受力情況如下所示：圖17. 150N扭轉(zhuǎn)作用力應(yīng)力云圖（力的作用側(cè)）圖18. 150N扭轉(zhuǎn)作用力應(yīng)力云圖（非力的作用側(cè)）為了更加精確的分析，計(jì)算出各個(gè)單元的應(yīng)力值（軸向應(yīng)力+彎曲應(yīng)力），以提供對(duì)模型制作的參考，其中主要危險(xiǎn)單元的應(yīng)力情況如下表所示：（全部單元的應(yīng)力值列在附錄中）表3. 危險(xiǎn)單元應(yīng)力值（許用值=22.5Mpa）單元序號(hào)應(yīng)力值（MPa）單元序號(hào)應(yīng)力值（MPa）4719.69817418.0044819.9271751

14、7.3994921.06217617.6805020.43317717.27151-18.61122117.16752-17.60823020.67553-18.065240-18.69554-17.578241-18.7266518.43227519.4116618.69627618.8156917.60927918.6849217.193284-16.46414617.228285-16.321表中加斜加粗的單元是結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最大的單元，從應(yīng)力云圖以及單元應(yīng)力表中可以看到結(jié)構(gòu)中主要的危險(xiǎn)的位置處于第二層，第三層受力側(cè)的22mm斜桿。而由之前得到的木材的許用應(yīng)力值可以知道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)是足夠的。

15、由圖17、18的應(yīng)力云圖可以知道結(jié)構(gòu)最大的等效應(yīng)力為22.094Mpa，并沒(méi)有超過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的許用應(yīng)力22.5Mpa，再考慮上對(duì)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行強(qiáng)化處理，所以設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)可以承受所要求的沖擊載荷而不發(fā)生損壞。六、模型制作6.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在制作過(guò)程中為了保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度足夠，我們采用了以下幾種節(jié)點(diǎn)處理方式。如圖19所示，我們將節(jié)點(diǎn)處各個(gè)桿件粘接到一起以3提升節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，圖20中為了避免可能出現(xiàn)的失穩(wěn)問(wèn)題，將相交的桿件粘接到一起，而某些位置采用的則是外貼式的設(shè)計(jì)，是為了增大膠粘的接觸面積使膠結(jié)牢固，如圖21。 圖19. 相交節(jié)點(diǎn)粘接 圖20.共節(jié)點(diǎn)桿件處理圖21.外貼桿件粘貼而在主梁與第三層、第四層的交點(diǎn)處，

16、計(jì)算顯示此節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力較大，為了保證結(jié)構(gòu)在沖擊載荷的作用下，結(jié)構(gòu)可以有效地傳遞力與力矩而不發(fā)生破壞，我們?cè)谶@些位置貼上1014mm的薄片，同時(shí)為了防止應(yīng)力集中，我們將薄片的厚度打磨成如圖22所示的漸變的形式。 圖22. 層間貼片 圖23.底座加固我們還考慮到在實(shí)際加載過(guò)程中，為了保證底座的加持剛度勢(shì)必會(huì)對(duì)木材表面產(chǎn)生擠壓造成非塑性變形，我們也將底座加持處進(jìn)行了加固（見(jiàn)圖23）以盡量避免角鋼對(duì)木材的損傷。6.2模型加工經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，為了在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減輕重量，我們對(duì)木材做了改變橫截面積的處理。大賽給定的材料尺寸為2x2,2x4,2x6,4x6。但是經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，主梁采用4x6盡管堅(jiān)固，卻不夠經(jīng)濟(jì)

17、省材，造成了浪費(fèi)。同時(shí)2x6用于內(nèi)部交叉結(jié)構(gòu)上，抗彎性能又不理想。在材料的處理上，我們采用挫削方法，將材料尺寸變?yōu)?x4,2x3,2x2，很大程度上避免了浪費(fèi)，又滿(mǎn)足了強(qiáng)度剛度的要求。附錄： 150N扭轉(zhuǎn)作用力下各個(gè)單元應(yīng)力表單元編號(hào)應(yīng)力值（MPa）單元編號(hào)應(yīng)力值（MPa）1-2.66891426.476822.71771452.007334.103014617.22844.201614713.10553.224214814.8196-1.45981490.4978872.52301501.022984.0322151-2.632891.77781524.1997103.82891540.72

18、252112.50311551.0562122.2480161-12.64413-0.18743E-01162-12.96414-2.9267163-10.098150.17075E-011648.7239164.71091655.7528178.73021666.23231811.1441670.690371910.2701680.373442017.1471690.77316211.19551701.3602222.91051717.3232236.84081720.3325024-3.99451732.7949259.483017418.004268.439817517.39927-0.

19、80399E-0217617.68028-0.9942217717.271312.0243178-4.5376321.84201794.7624332.951818011.92135-9.24311814.064836-10.0321824.3004370.71058183-0.63420380.884621845.0101392.56881859.7250401.54541864.593141-5.9285187-4.1657426.7221188-0.5541343-0.786511894.7332441.3656190-0.65260455.94811913.174946-2.67921

20、92-2.86124719.6981940.662454819.9271950.977694921.06219615.0055020.43320214.91151-18.611203-2.993452-17.6082044.643653-18.065205-5.212154-17.578206-4.6258552.48482070.18256560.204982080.34196E-01574.95492090.33694584.87342104.33476010.392211-5.8341641.1901212-2.53616518.4322130.267566618.6962145.257

21、968-7.3399215-3.28066917.609216-10.25470-14.173217-3.099171-15.2582184.75777217.929219-4.735773-15.454220-3.431474-14.88522117.167750.66187E-01222-3.8441760.875452235.6387778.53822240.78203781.0032225-3.4859791.3914226-0.88502800.2312922720.63081-5.76642280.3746982-6.80942290.1180383-9.471123020.6758413.976231-9.941385-10.890232-7.734486-11.210233-8.3270871.5508234-10.39288-6.8362235-0.29443898.2817236-0.46071908.30542371.622291-6.92852381.06449217.1932390.86972E-019312.243240-18.695941.5339241-18.726950.524442423.3737960.47619243-2.5634970.108452444.6379981.48372450.36367990.624932461.9