楊寶生 許海峰

1 項目概況及ABAQUS簡介

本文模擬的輸電塔架共包含400千伏、220千伏及60千伏輸電線路，總長352.192千米，輸電塔主體結構采用角鋼，各構件間用螺栓和連接板連接.由于輸電塔架屬于高聳構筑物，所處環(huán)境風荷載較大，因此對構筑物本身穩(wěn)定性要求高.本文通過對輸電塔架結構和材料的分析，創(chuàng)建合適的分析模型.在ABAQUS軟件中定義材料參數(shù)、劃分網(wǎng)格、考慮自重和風荷載的受力、模擬得出實際環(huán)境下輸電塔的形變，從而分析其穩(wěn)定性，為輸電塔在實際工程中的應用提供有價值的參考.

2 輸電塔有限元模型建立

2.1 單元類型的確定

輸電塔架結構分析的關鍵在于模型簡化，選擇不同單元類型，將會導致模擬結論的不同，甚至可能出現(xiàn)求解結果無法收斂的情況.本文輸電塔架實際案例取整體高度為47.8m的懸垂塔進行模擬（如圖1），輸電塔架體系整體采用角鋼材料，塔身由Q345和Q420角鋼構成（如圖2、3），各段由螺栓固定連接.因此在有限元建模過程中，可將塔身簡化成線框模型，先在AutoCAD中按設計圖紙尺寸畫出簡化后的三維空間線框模型后，然后導入ABAQUS軟件中.由于輸電塔桿件均為角鋼材料，并且在連接處采用螺栓和連接板連接，一定程度增加了角鋼的約束，提高了整體剛度，因此在進行有限元分析時，將輸電塔架中的每一根角鋼簡化為統(tǒng) 一截面尺寸的梁單元進行模擬（梁單元構造簡單，幾何自由度少，適用于角鋼構成的輸電塔結構[3-4]）.

2.2 材料和截面的屬性確定

為了使得分析結果精準，在ABAQUS軟件中需使用統(tǒng)一的單位制.輸電塔身采用角鋼材料，在接口程序AutoCAD中建立線框模型采用毫米為單位，在ABAQUS材料屬性中定義鋼材質(zhì)量密度為7.85×10-9t/mm3，在定義鋼材的彈性模量時[5]，取2.06 ×108MPa，泊松比取0.28，同時需要對截面屬性進行定義（如圖4）.創(chuàng)建界面時，確定所選擇截面為梁類別中的梁類型[6]，并且選擇梁的截面為L型，選用Q420角鋼尺寸，通過指派截面賦予原線框模型梁單元.在ABAQUS中材料各向性質(zhì)通常相同，但在梁單元里，軸向強度則較高于橫截面的強度[7，8]，所以應在軟件中應設定梁單元的方向，最終完成對模型材料和截面的定義.輸電塔底部固定于地面，需要在模型底部添加完全固定的邊界條件.網(wǎng)格劃分的精度，分析步中增量步的大小同樣會影響模擬的結果，因此需調(diào)整合適的布種密度進行網(wǎng)格劃分，得出創(chuàng)建網(wǎng)格后的模型（如圖5）.

3 自重和風荷載下的模擬

3.1 自重分析

為精確分析安哥拉當?shù)睾蛧鴥?nèi)環(huán)境下輸電塔受力分析情況的不同，先確定安哥拉經(jīng)緯度，取當?shù)刂亓铀俣萭1為9781s/mm2，合肥市重力加速度g2為9800s/mm2.在ABAQUS軟件中，輸入兩種重力加速度.

3.2 風荷載計算

通過將塔身分為9段，根據(jù)確定的角鋼尺寸，計算迎風面的投影面積和輪廓面積，得出每一段的擋風系數(shù)（見表1）.

對于通常的豎向懸臂型結構，例如高層建筑和塔架，構架等高聳構筑物，可只計算第一振型[9].按規(guī)范要求計算出所需的系數(shù)（見表2）.

隨著輸電塔每層結構所處的高度不同，風速會隨之變化，所以要查找風的高度變化系數(shù).輸電塔架項目建于房屋較為稀疏的地區(qū)，故地面粗糙度屬B類，查詢建筑結構荷載規(guī)范可以確定風壓高度系數(shù)μz.根據(jù)塔架各分段，按如下公式計算風荷載：

式中A為分段桿件投影面積，最終得出兩地風荷載大?。ㄒ姳?）.

3.3 有限元模擬結果分析

將產(chǎn)生的風荷載簡化為集中力，平均作用于各段塔身的各個節(jié)點[10].在ABAQUS軟件中，分別輸入重力加速度和風荷載，得出兩地輸電塔在風荷載和自重下的應力情況（如圖6、7）以及位移情況（如圖8、9）.

由圖6、7可知，輸電塔模型在安哥拉地區(qū)最大Mises應力為33.81N/mm2，在合肥地區(qū)的最大Mises應力值為44.92N/mm2，兩者相差25%，且兩種工況下輸電塔出現(xiàn)的最大Mises應力均處于塔身下部的塔腿處;由圖8、9可知，輸電塔模型在安哥拉地區(qū)最大位移為14.16mm，在合肥地區(qū)的最大位移為31.5mm，兩者相差55%，且兩種工況下輸電塔出現(xiàn)的最大位移都處于輸電塔頂部.由此可知，輸電塔所處環(huán)境的風壓對輸電塔的穩(wěn)定性影響較大，且輸電塔易在塔身下部的塔腿處和塔身上部的塔頂處發(fā)生破壞，因此在實際工程運用中，應對輸電塔的塔頂和塔腿處進行加固，以防止輸電塔發(fā)生失穩(wěn)破壞.

4 結論和展望

通過對比分析輸電塔的應力云圖和位移云圖，可得出以下結論：

（1）輸電塔架在安哥拉地區(qū)的最大Mises應力和最大位移均小于國內(nèi)環(huán)境下模擬的數(shù)值，這說明輸電塔所處環(huán)境的風壓越小，則輸電塔的穩(wěn)定性越好.

（2）從模擬結果分析可知，輸電塔架整體較穩(wěn)定，塔身下部和塔腿的應力較大，塔頂位移較大，塔中部較穩(wěn)定，設計施工時應多考慮塔身下部和塔腿的加固.

（3）本次有限元軟件模擬輸電塔整體結構簡化為線框模型，并賦予梁單元屬性，模型簡單方便，但是由于梁節(jié)點的剛度約束較大，模擬結構響應較低.為了較為真實的模擬，可以考慮釋放梁單元端部自由度的方法，或者將桁梁單元模型簡化為殼體模型，精化模型的建立.

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參考文獻：

〔1〕孫震.輸電塔基本單元分析模型建立及試驗研究[D].同濟大學，2008.

〔2〕張卓群，周楠，李宏男，秦瑋.風荷作用下的輸電塔結構倒塌破壞分析[J].價值工程，2016（35）.

〔3〕陳祺，王新芳，文明.輸電鐵塔ANSYS建模及有限元分析[J].山西建筑，2010（16）.

〔4〕孫震，李杰，謝強.角鋼構件試驗研究及有限元分析[D].同濟大學，2008.

〔5〕徐震，王文明，林清海，金樹，曹丹京，田利.輸電塔-線體系簡化模型地震作用下的連續(xù)性倒塌分析[J].地震工程學報，2009（05）.

〔6〕劉雅.500kV輸電塔線體系抗地震性能分析與研究[D].華北電力大學，2016.

〔7〕李宏男，白海峰.輸電塔線體系的風（雨）致振動響應與穩(wěn)定性研究[J].土木工程學報，2015（08）.

〔8〕侯景鵬，孫自堂，吳興宏，鄭毅.輸電塔抗風穩(wěn)定分析[J].水電能源科學，2010（15）.

〔9〕趙桂峰，謝強，梁樞果，李杰.高壓輸電塔線體系抗風設計風洞試驗研究[J].高電壓技術，2009（27）.

〔10〕劉鳴.基于AR法的雙回路直線型輸電塔架風振分析[J].特種結構，2014（30）.