500kV／220kV四回路復合橫擔塔多尺度有限元分析*

2019-01-15 05:18龍海波段松濤孫清寧帥朋趙雪靈

特種結(jié)構(gòu) 2018年6期

龍海波段松濤孫清寧帥朋趙雪靈

（1.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司南京211102；2.中國電力顧問集團電規(guī)總院北京100120；3.西安交通大學土木工程系 710049）

引言

輸電桿塔是承受導線、地線、絕緣子串和自身荷載的支撐構(gòu)件，其力學性能直接影響著輸電線路的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。目前對輸電塔的結(jié)構(gòu)計算分為以下兩類：（1）基于桿系模型、殼模型及實體模型等宏觀模型的整體結(jié)構(gòu)非線性計算；（2）基于殼單元、實體單元的復雜構(gòu)件及節(jié)點局部結(jié)構(gòu)的非線性計算。但隨著技術(shù)的發(fā)展，上述兩類計算仍存在以下不足：對于梁桿模型，雖然計算量小，但很難反映結(jié)構(gòu)的真實破壞機理，比如構(gòu)件的局部破壞特征、節(jié)點局部破壞以及法蘭連接處等；而對于殼和實體單元模型，雖能較好地反映局部結(jié)構(gòu)的破壞特征，但由于計算機條件的限制，故對實際結(jié)構(gòu)完全采用多尺度模型是不現(xiàn)實的，更重要的是僅對局部構(gòu)件進行多尺度分析很難精確地確定連接的邊界條件，導致計算結(jié)果與實際存在差異[1，2-5]。因此對輸電塔的計算迫切需要一種既能反映整體結(jié)構(gòu)力學行為又能模擬局部節(jié)點受力情況的計算模型。對于實際工程結(jié)構(gòu)采用多尺度計算主要是分析模型的不同部分采用不同尺度，目的是為了取得較高的計算精度的同時提高計算效率，例如：對受力復雜的節(jié)點和構(gòu)件采用實體單元來分析其開裂、局部失穩(wěn)及屈曲等非線性行為，而對于受力簡單的構(gòu)件采用梁單元，通過選擇合理的界面連接形式，保證宏觀模型和局部模型的變形協(xié)調(diào)性，準確地反映整體受力特性和局部的破壞過程[1，6-12]，因此，既可以反映其實際受力特性又可降低計算量。

本文利用ANSYS有限元軟件中的MPC法（Multiple point constraint）建立約束方程，實現(xiàn)了多尺度模型和梁桿模型連接界面的協(xié)調(diào)性。計算結(jié)果表明，這種方法能準確模擬結(jié)構(gòu)的受力情況，應用性更強，將其運用于輸電塔結(jié)構(gòu)的分析具有很重要的工程意義。

1 多尺度模型界面連接原理

合理地選擇多尺度模型的連接界面是多尺度模型計算的關(guān)鍵。在實際工程結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要采用桿單元、梁單元、殼單元以及實體單元建立模型，但不同類型的單元自由度可能不同，因此連接界面處應遵循不改變自由度數(shù)目的原則，單元自由度異同包含兩個含義，即單元自由度個數(shù)及其物理意義。當不同類型的單元自由度相同時，采用共用節(jié)點；當不同類型單元的自由度不同時，則需要建立約束方程[1，13]。約束方程是一種聯(lián)系自由度的線性方程，形式如下：

式中：U（I）為自由度項；Coefficient（I）為自由度項U（I）的系數(shù)；N為方程中項的編號。即不同單元的節(jié)點連接部位建立自由度間的關(guān)系方程，從而保證節(jié)點間的線位移和角位移的協(xié)調(diào)性。本文選取在界面上自動生成約束方程，但要精確選擇出界面節(jié)點，MPC法利用MPC184剛性單元，該單元通過設置可以模擬剛性桿、剛性梁、滑移約束等運動形式，且該單元支持大位移等非線性行為[1，13]。圖1為一個鋼管的多尺度模型和梁單元模型，由于鋼管是空心結(jié)構(gòu)，因此在殼單元中心建立一個節(jié)點，通過編制一個利用MPC184單元形成剛性域的循環(huán)命令流，最后將梁直接與中心節(jié)點相連，如圖1b所示。圖1a為全梁有限元模型，圖1c為開啟單元截面顯示后的多尺度模型。

圖1 多尺度模型和梁單元模型Fig.1 Multi-scale model and element model

2 多尺度模型建立和校核

以500kV／220kV混壓四回路復合橫擔FH-20鋼管塔為研究對象，該塔主要由鋼管和角鋼組成，主材采用Q460，斜材采用Q345，輔材采用Q345和Q235，塔腿高9m，呼高36m，全高79.5m。FH-20的設計條件為：（1）地線型號：JLB20A-150，1，2回路電壓等級為500kV，導線型號為：4×JL／G1A-630／45鋼芯鋁絞線，3，4回路電壓等級為220kV，導線型號為：2×JL／G1A-630／45 鋼芯鋁絞線；（2）基本風速為29m／s，覆冰厚度導線5mm、地線10mm；（3）水平檔距為500m，垂直檔距為650m。

由于塔身節(jié)點和橫擔端部節(jié)點受力復雜，因此分別以塔身節(jié)點（630）和橫擔端部節(jié)點（530）的多尺度模型為研究對象，建立模型步驟如下：（1）首先采用殼單元建立塔身和橫擔端部節(jié)點，如圖2所示，塔身節(jié)點模型共計106936個單元，橫擔端部節(jié)點模型共計54880個單元；（2）塔身節(jié)點和橫擔端部節(jié)點在整塔中是以一定角度和相應的位置連在整個結(jié)構(gòu)中，故在整塔單線模型（剛架模型）中建立局部坐標系，以部件形式導入替換掉原來的塔身節(jié)點的單線模型，共計162986個單元；（3）用MPC法建立多尺度連接，組裝后的模型如圖3所示。同時建立了FH-20輸電鐵塔的梁桿混合模型（圖4），目的是驗證多尺度模型的合理性。梁桿混合模型是指鐵塔的主材、橫隔材及斜材視為梁單元，輔材視為桿單元。

為驗證復合橫擔輸電塔多尺度模型的合理性，分別對梁桿模型和多尺度模型進行模態(tài)分析，并對同一荷載工況下塔頭位置處的位移進行對比。表1、表2和圖5分別為多尺度模型與梁桿模型前幾階頻率和60°大風工況下塔頭位移的比較，通過對比可以看出多尺度模型頻率稍小于梁桿模型，其原因是多尺度模型中鋼節(jié)點和鋼套管的加入增大了塔的質(zhì)量，從而使頻率減??；二者塔頭位移相差僅為0.37%。

圖2 節(jié)點多尺度模型Fig.2 Multi-scale model of node

圖3 多尺度模型Fig.3 Multi-scale model

圖4 梁桿模型Fig.4 Truss-framed model

圖5 位移云圖Fig.5 Displacement cloud imagery

表1 自振頻率對比Tab.1 Comparison of the frequency

表2 位移對比Tab.2 Comparisons of displacemen

3 節(jié)點多尺度非線性分析

將采用殼單元建立的實體塔身節(jié)點（630）及橫擔端部節(jié)點（530）運用MPC184法和公式（1）的原理裝入整塔，并建立整塔多尺度有限元模型。對裝入節(jié)點的整塔結(jié)構(gòu)進行非線性靜力分析，重點分析節(jié)點的受力及變形，同時對比分析梁桿模型和多尺度模型支座反力、主材及橫擔構(gòu)件的內(nèi)力。

3.1 受力及變形分析

1.60°大風工況

由圖6可得630節(jié)點在該工況下法蘭螺栓孔由于應力集中，應力最大達到661MPa，應變達到3174με，螺栓受拉時受到撬力，經(jīng)驗算螺栓抗拉連接強度滿足《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017-2012）[14]承載力要求。

圖6 630節(jié)點應力云圖Fig.6 Stress cloud imagery of 630 node

由圖6可得塔身630節(jié)點在該工況下法蘭螺栓孔由于應力集中，應力最大達到661MPa，應變達到3174με，螺栓受拉時受到撬力，經(jīng)驗算螺栓抗拉連接強度滿足《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017-2012）[14]承載力要求；由圖7 可得2回路中橫擔壓桿應力最大為35.8MPa，出現(xiàn)在橫擔壓桿和塔身連接處，拉桿應力最大為247MPa，出現(xiàn)在橫擔左邊端部，均小于復合材料抗拉和抗壓設計值，具有較大的安全儲備。

圖7 橫擔壓桿截面應力云圖Fig.7 Stress cloud imagery of cross-bore

2.斷1回地線，上導，中導工況

斷線對橫擔壓桿影響較大，該工況下橫擔端部530節(jié)點中間十字水平連接板處螺栓孔由于應力集中，應力最大達到422MPa，應變達到205με，由于塔身630節(jié)點處上部主材截面減小，引起應力集中，在上部主材與法蘭連接處出現(xiàn)最大應力為375MPa，應變達到1820με。由圖8可得2回路中橫擔壓桿應力最大為60MPa，拉桿應力最大為370MPa，出現(xiàn)在橫擔壓桿和塔身連接處，均小于復合材料抗拉和抗壓設計值，設計具有較大的安全儲備。

3.斷1回地線，中導，下導工況

該工況下630節(jié)點處螺栓孔由于應力集中，應力最大達到373MPa，應變達到1846με，530節(jié)點中間十字水平連接板螺栓孔應力最大達到332MPa，應變達到1641με，而壓桿的軸力為114.2kN，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（50017-2012）[14]對螺栓群進行抗剪驗算，滿足承載力要求。由圖9可得1回路橫擔壓桿應力最大為54MPa，2回路拉桿應力最大為321MPa，出現(xiàn)在橫擔壓桿和塔身連接處。

4.正錨4回中導，已錨1，2回，3，4回上導，3回中導工況

由圖10可得530節(jié)點拉桿與節(jié)點板連接處由于應力集中，應力最大達到335MPa，應變達到1846με；安裝工況對橫擔拉桿受力影響較大，由圖11可得2回路拉桿應力最大為325MPa，1回路中橫擔壓桿應力最大為33.4MPa，出現(xiàn)在橫擔壓桿和塔身連接處，但均小于復合材料設計值。