風(fēng)荷載作用下輸電塔極限承載力和失效模式計算模型

風(fēng)荷載作用下輸電塔極限承載力和失效模式計算模型

0考慮輸電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響模型電力塔是一個重要的生命線工程結(jié)構(gòu)，其安全性非常重要?，F(xiàn)有的技術(shù)事故表明，它們在風(fēng)中是干燥的?？紤]到輸電塔具有體型高聳、桿件眾多、節(jié)點連接復(fù)雜的特點,一些學(xué)者開展了計算模型對輸電塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響研究。劉鳴等鑒于此,本文以某110kV鼓形直線輸電鐵塔為例,建立了目前常用的空間桁架、空間剛架和空間梁桁組合計算模型,對比分析了0°,45°,60°,90°風(fēng)向下3種計算模型的位移、應(yīng)力和彎矩等結(jié)構(gòu)響應(yīng),并對比了最不利工況下的輸電塔塑性極限承載力和失效模式,總結(jié)了計算模型的影響規(guī)律,給出了輸電塔極限承載力和失效模式中計算模型的選取建議。1空間模型的研究輸電塔結(jié)構(gòu)分析目前主要采用平面桁架模型、空間桁架模型、空間剛架模型和空間梁桁組合模型。平面桁架模型將輸電塔超靜定結(jié)構(gòu)簡化為靜定或少次超靜定的平面桁架,進而采用節(jié)點法和截面法求解內(nèi)力,在早期的手算中得到應(yīng)用1.1節(jié)點處的轉(zhuǎn)動空間桁架模型假定所有節(jié)點為理想鉸接,如圖2(a)所示,各桿件在節(jié)點處可以自由轉(zhuǎn)動,桿件在整個變形過程中始終保持為直桿,只有軸向的伸長和縮短,而沒有彎曲變形?？臻g桁架模型計算簡單、受力機理清晰1.2節(jié)點內(nèi)內(nèi)力空間剛架模型假定所有節(jié)點為理想剛接,如圖2(b)所示,考慮各桿件在節(jié)點處存在強約束作用,桿件中存在除軸力以外的彎矩、剪力等內(nèi)力?，F(xiàn)有輸電塔數(shù)值模擬分析中常采用空間剛架模型進行線彈性和非線性響應(yīng)分析1.3梁單元的選用空間梁桁組合模型根據(jù)塔架的受力特點選用梁單元和桿單元建立計算模型,如圖2(c)所示?？紤]到主材及端部連接剛度明顯大于斜材和輔助材,通常選用梁單元;斜材直接與主材連接,存在再分節(jié)點,自身剛度和端部連接剛度都較大,也按梁單元考慮;輔助材承受內(nèi)力較小,主要起減小主材和斜材計算長度的作用,按桿單元考慮由此可見,目前3種空間計算模型各有優(yōu)缺點,并且在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中都有應(yīng)用,因此有必要研究這3種模型對輸電塔極限承載力和失效模分析的影響。2空間模型的建立國網(wǎng)輸電線路通用的設(shè)計鼓形桿塔1D11-SZ3如圖3所示[圖3(a)中1~8為桿件編號],呼高為36m,全高為49.3m,塔身橫截面采用正方形布置,根開為6.6m。主材采用Q345等邊角鋼,斜材和輔助材采用Q235等邊角鋼,每種型號的鋼材分別有8種截面尺寸,彈性模量均為E=2.1×10采用大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS分別建立空間桁架模型、空間剛架模型和空間梁桁組合模型?？臻g桁架模型的所有桿件采用Link10模擬,共有1572個桿單元和613個節(jié)點;空間剛架模型所有桿件采用Beam189模擬,每根桿件劃分一個單元,共1572個梁單元和3757個節(jié)點;空間梁桁組合模型的主材和斜材采用Beam189模擬,輔助材采用Link10模擬,塔腳處固定約束,共有1572個單元和3013個節(jié)點。3種模型的鋼材均采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。3計算模型對結(jié)構(gòu)彈性響應(yīng)的影響3.1計算負荷的性能3.1.1塔的直流電負荷將輸電塔分為8個塔段,根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》3.1.2線路和地線的風(fēng)負荷根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》3.2塔架位移對比針對3種計算模型,考慮其導(dǎo)線、地線的水平力和豎直力以及塔架自重的影響,運用有限元分析軟件ANSYS計算正常運行時4個風(fēng)向工況下塔架的位移,塔頂位移U由表3可知,在4個風(fēng)向工況下,空間桁架模型、空間剛架模型和空間梁桁組合模型的最大位移都發(fā)生在60°風(fēng)向工況時,數(shù)值基本相同,相對誤差都在1.2%以內(nèi)。由表4可知,3種計算模型在各典型高度上的位移相差也不大,且均在60°風(fēng)向工況下取得最大值。因此,采用3種模型均可較好地估計角鋼塔在設(shè)計工況下的彈性位移。同時,根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.3空間模型研究表5為3種模型的最大Mises應(yīng)力。4個工況下各模型的最大應(yīng)力都發(fā)生在塔腿或塔腿橫隔上方的主材上。應(yīng)力計算結(jié)果從小到大的排列順序為空間桁架模型、空間梁桁組合模型、空間剛架模型。同時,空間梁桁組合模型和空間剛架模型得出的應(yīng)力值相對誤差較小,在15%以內(nèi);空間桁架模型所給出的應(yīng)力計算值除90°風(fēng)向工況以外,皆低于空間剛架模型應(yīng)力計算值的30%以上。實際上,輸電塔的主材桿端剛度往往較大,不能忽略其彎矩的影響,甚至彎矩影響比軸力更加顯著,因此用空間桁架模型計算得到的應(yīng)力偏小,采用空間剛架和空間梁桁模型均能給出較為安全的彈性應(yīng)力計算結(jié)果。3.4主材和桿件彎矩對比采用桿單元的空間桁架模型不考慮桿端彎矩對桿件受力的影響,因此模型Ⅰ得到的塔身主材彎矩均為0。在與模型Ⅰ相同的45°風(fēng)荷載作用下,采用模型Ⅱ和模型Ⅲ得到的輸電塔主材彎矩見圖4,桿件編號如圖3(a)所示。圖4中,M由圖4可知,塔身主材從上至下所受彎矩逐漸增大,在相同的外荷載作用下,模型Ⅱ與模型Ⅲ得到的主材彎矩在不同位置差距也不同。輔助材單元類型的選取對桿件內(nèi)力分布有一定影響,有大量輔助材分布的塔腿部分主材(桿件1,2)彎矩相差最大,其次是有少量輔助材分布的塔身主材(桿件3,4,5),相差最小的是沒有輔助材分布的塔頭部分(桿件6,7,8)?？梢?采用空間剛架和空間梁桁模型均能給出較為安全的彎矩計算結(jié)果。4高承載鋼的動態(tài)特性采用彈塑性增量加載法(EPIA)針對該鼓形直線輸電塔的3種計算模型,分別求解60°風(fēng)向工況的塑性極限承載力。圖5為活荷載乘子的增量迭代過程,圖6,7為3種模型在加載過程中活荷載乘子k與塔頂位移U由圖5可知,3種模型的極限承載力和塔頂位移U由圖6,7可知,3種計算模型在線彈性承載過程中,塔頂位移U總體可見,空間剛架模型和空間梁桁組合模型都能反映出鐵塔結(jié)構(gòu)的延性破壞性質(zhì),且空間梁桁組合模型的極限承載力計算結(jié)果偏于安全。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5種模型的失效模式分析3種空間模型對塔架結(jié)構(gòu)的失效模式也有一定影響,圖8為失效桿件示意,表6為60°風(fēng)向工況下3種計算模型的失效模式。3種模型失效模式的相同點為:塑性極限承載狀態(tài)的失效桿件均分布在受拉側(cè)和受壓側(cè)的塔腿和塔腿附近的塔身主材上,且受壓側(cè)桿件分布數(shù)量均大于受拉側(cè)。由于結(jié)構(gòu)自重和導(dǎo)線垂直荷載使塔腿主材受壓,因此風(fēng)荷載作用下受壓側(cè)塔腿主材較受拉側(cè)相同高度主材的Mises應(yīng)力值大,高承載桿件數(shù)量在塔腿受壓側(cè)較多些。同時,3種模型的失效模式也存在差異:空間桁架模型的失效桿件僅在受壓側(cè),且同時出現(xiàn)在加載的最后一步,隨即結(jié)構(gòu)整體達到塑性極限狀態(tài);空間剛架和空間梁桁組合模型在加載過程中均先在受壓側(cè)一步步出現(xiàn)失效桿件,隨后在受拉側(cè)出現(xiàn)失效桿件,最后才達到塑性極限狀態(tài)?？傮w可見,塔架失效桿件主要集中在塔腿主材部位,是結(jié)構(gòu)整體安全的薄弱環(huán)節(jié),可考慮通過加強塔腿主材抗力提高整體安全儲備。同時,工程研究也表明,當輸電塔塔身有顯著變坡時,變坡處的主材應(yīng)力也較大,是結(jié)構(gòu)整體安全的薄弱環(huán)節(jié)?？梢?空間剛架和空間梁桁組合模型識別的失效桿件一致,偏于安全,建議采用這2種模型進行塔架結(jié)構(gòu)失效模式研究。6高承載構(gòu)件模型分析(1)3種模型均能較好地估計輸電塔的彈性位移,空間剛架和空間梁桁組合模型相比于空間桁架模型能給出較安全的彈性應(yīng)力和彎矩。(2)輸電塔風(fēng)荷載工況下的計算極限活荷載乘子在2.00左右,空間梁桁組合模型能反映出