22ZK5直線輸電鐵塔仿真分析

劉文婧

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

架空輸電線的覆冰災(zāi)害是一個(gè)國際上普遍關(guān)心的問題。隨著特高壓線路的建設(shè)，大跨度輸電線路不斷增加，電線覆冰后的舞動(dòng)和脫冰跳躍易釀成很大危害，輕則相間閃絡(luò)、損壞地線和導(dǎo)線、金具及部件，重則線路跳閘停電、斷線倒塔等，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了保證特高壓電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，對(duì)輸電線的防雪災(zāi)、冰災(zāi)提出了更高的要求，因此有必要對(duì)輸電線覆冰作用下的特性進(jìn)行深入的研究。

2 鐵塔有限元計(jì)算模型

2.1 有限元模型建立

在對(duì)鐵塔進(jìn)行力學(xué)有限元分析時(shí)，關(guān)鍵是生成力學(xué)計(jì)算模型?？紤]到鐵塔本身的特點(diǎn)，通常是由角鋼組成，鐵塔的主材具備梁的特點(diǎn)，除了能承受軸向力之外，還可以承受剪切力、彎矩等，并且在各角鋼的聯(lián)接處，因采用聯(lián)接板聯(lián)接，每段角鋼上也大多數(shù)用多個(gè)螺栓聯(lián)接，這也增加了角鋼的約束，增強(qiáng)了其剛度，但是如果將模型建立為空間剛架模型，鐵塔將會(huì)導(dǎo)致全剛化，剛度過強(qiáng)，也不符合鐵塔本身的特點(diǎn)。所以，使用桁梁混合模型。

桁梁混合模型是將鐵塔的主材和橫隔材視為梁?jiǎn)卧?，斜材視為桿單元，更接近于實(shí)際的鐵塔結(jié)構(gòu)，而且還能很方便地解決采用桁架模型不易解決的問題。本文選用的梁?jiǎn)卧蜅U單元分別為beam188和link8。Bema188是三維線性(2節(jié)點(diǎn))或者二次梁?jiǎn)卧?。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度，自由度的個(gè)數(shù)取決于KEY0PT(1)的值。LINK8單元是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)［5］。根據(jù)所給定的22ZK5鐵塔工程圖，鐵塔的部分塔材采用Q235和Q345鋼。

2.2 鐵塔靜力學(xué)分析荷載計(jì)算

選取導(dǎo)線型號(hào)為 LGJ—300/40，絕緣子型號(hào)為LXP－70、13片，絕緣子串的重力G為730.88N，地線金具重120N，選擇設(shè)計(jì)覆冰厚度為20mm，則根據(jù)全國典型氣象條件選擇氣象區(qū)Ⅸ，水平檔距400m，垂直檔距350m。

根據(jù)輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算得出不同情況下的荷載，列成表1。

表1 不同覆冰厚度荷載

3 鐵塔模型靜力分析

Ansys中的靜力分析計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，也不考慮載荷隨時(shí)間的變化。但是，靜力分析可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響(如重力和離心力)，以及那些可以近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷(例如，通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價(jià)靜力風(fēng)載荷地震載荷)。靜力分析用于計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。

本文是對(duì)鐵塔的覆冰情況進(jìn)行分析，并每次增加覆冰厚度，對(duì)不同覆冰厚度情況下的靜力分析。

先對(duì)鐵塔的塔腿進(jìn)行約束，選中四個(gè)塔腿的最下方的節(jié)點(diǎn)，并將其的所有位移約束(包括X、Y、Z和其自由度)都設(shè)為0，并對(duì)鐵塔施加載荷并分析。

Ansys分析不同情況下的位移應(yīng)力列成表2。

Ansys分析鐵塔變形位移圖和應(yīng)力圖，如圖1所示。

表2 不同情況下的位移及應(yīng)力表

Ansys分析結(jié)果說明:

直線型自立式鐵塔的最大位移不能超過3h/1000=3×48900/1000=146.7(mm)。根據(jù)材料的力學(xué)性能知，Q235的屈服極限為216～235MPa，Q345的屈服極限為274～343 MPa。則所以的計(jì)算結(jié)果都在允許的范圍之內(nèi)，都符合要求。

(1)靜力分析得到位移和應(yīng)力結(jié)果都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。當(dāng)鐵塔覆冰時(shí)，由表2看出，增大覆冰厚度，鐵塔的位移和應(yīng)力都會(huì)相應(yīng)的增大;

(2)最大綜合位移情況。最大位移都發(fā)生在塔頭掛地線處，下面掛導(dǎo)線附近也相對(duì)較大，鐵塔整體綜合位移分布是從塔頭到塔腿位移值漸小，塔腿最小;

(3)最大綜合應(yīng)力情況。最大應(yīng)力都發(fā)生在塔腿主材上，整體的綜合應(yīng)力分布是掛線點(diǎn)和塔腿主材較大，總的來看塔腿部分比塔頭部分應(yīng)力要大。

圖1 鐵塔變形位移圖和應(yīng)力圖

4 鐵塔屈曲分析

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)的屈曲載荷(使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定的臨界載荷)和屈曲模態(tài)(結(jié)構(gòu)屈曲響應(yīng)的特征形態(tài))的技術(shù)。ANSYS提供兩種分析結(jié)構(gòu)屈曲的技術(shù):非線性屈曲分析和特征值屈曲分析。特征值屈曲分析是用于預(yù)測(cè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度，本文便是利用這種方法對(duì)鐵塔在兩種工況下(最大設(shè)計(jì)風(fēng)速、無冰、未斷線和覆冰、有相應(yīng)風(fēng)速、未斷線)的屈曲分析。

特征值方法:它是經(jīng)典的歐拉屈曲分析，它計(jì)算結(jié)構(gòu)在給定載荷和約束下的各個(gè)特征值。特征值問題可以用公式進(jìn)行表述:(［K］+λi［S］){ψi}=［0］，式中［K］為剛度矩陣;［S］為應(yīng)力剛度矩陣;λi為第 i個(gè)特征值;{ψi}為第i個(gè)屈曲特征矢量。但是，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的缺陷和非線性特征很難得到特征值，特征值方法往往高估了現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度。但是特征值屈曲分析可以預(yù)測(cè)出屈曲載荷的上限［4］。

對(duì)于鐵塔結(jié)構(gòu)來說，它是由許多單元組成為的一個(gè)整體，當(dāng)一個(gè)單元發(fā)生失穩(wěn)變形后，它必然牽動(dòng)和它連接的其他單元。對(duì)于這種超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)單元發(fā)生失穩(wěn)變形后，它必然會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布。因此鐵塔穩(wěn)定性分析不能忽略，且也不能單個(gè)桿件孤立去分析其穩(wěn)定性，而應(yīng)當(dāng)考慮其它桿件的影響，所以就得從整個(gè)鐵塔的結(jié)構(gòu)去分析它的穩(wěn)定性。

在屈曲分析時(shí)，分析局部穩(wěn)定性，不考慮重力。先對(duì)掛導(dǎo)線處施加載荷，進(jìn)行分析;再對(duì)掛地線處施加載荷，進(jìn)行分析。

用載荷放大倍數(shù)乘以鐵塔模型施加的10N載荷，就表示歐拉臨界載荷，得到臨界載荷列為表3、表4所示。

表3 貓頭鐵塔掛導(dǎo)線處屈曲分析臨界載荷(單位:N)

(1)后處理顯示鐵塔在覆冰情況下導(dǎo)線處特征值屈曲分析的第一階屈曲模態(tài)圖，如圖2所示。

(2)掛地線處屈曲分析載荷放大倍數(shù)列為表5。

圖2 貓頭鐵塔導(dǎo)線處屈曲分析圖(單位:mm)

用載荷放大倍數(shù)乘以鐵塔模型施加的10N載荷，就表示歐拉臨界載荷，得到臨界載荷列為表4。

表4 貓頭鐵塔掛地線處屈曲分析臨界載荷(單位:N)

后處理顯示鐵塔在覆冰情況下地線處特征值屈曲分析的第一階屈曲模態(tài)圖，如圖3所示。

圖3 貓頭鐵塔地線處屈曲分析圖(單位:mm)

結(jié)果分析:

從屈曲分析圖看出，鐵塔覆冰情況下的失穩(wěn)點(diǎn)發(fā)生在塔頭下端的下曲臂的桿單元上，在這根桿附近的梁?jiǎn)卧沧冃屋^大，掛地線的屈曲臨界載荷比掛導(dǎo)線的臨界載荷要小。另外，在屈曲分析的變形圖中發(fā)現(xiàn)，部分遠(yuǎn)離屈曲點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)的變形比屈曲點(diǎn)的變形要小得多，只有發(fā)生屈曲的節(jié)點(diǎn)和附近節(jié)點(diǎn)的變形是相當(dāng)大的，其他部分節(jié)點(diǎn)變形相對(duì)來說小很多。對(duì)鐵塔塔頭的材料需進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)，這種情況在對(duì)鐵塔進(jìn)行分析設(shè)計(jì)必須注意。

覆冰荷載為嚴(yán)重影響輸電線鐵塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要破壞因素之一，嚴(yán)重覆冰會(huì)造成輸電線斷裂，桿塔倒塌，金具損壞［6］。為了避免覆冰導(dǎo)致鐵塔失穩(wěn)帶來不必要的損失，使輸電線路更加安全，在鐵塔的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到在覆冰過大的荷載工況下鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，使鐵塔有一個(gè)充足的強(qiáng)度儲(chǔ)備，提高鐵塔的設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)提高輸變電線路的整體投資，以保證電網(wǎng)能抵御惡劣的氣候，減低倒塔所造成的嚴(yán)重危害和經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)論

(1)對(duì)模型進(jìn)行了靜態(tài)分析，得出在4種覆冰厚度，隨著覆冰厚度增大，鐵塔的位移，應(yīng)力都相應(yīng)的增大，最大綜合應(yīng)力值、最大綜合位移值及相應(yīng)的發(fā)生點(diǎn)和整體分布情況，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在塔腿主材上，整體的綜合應(yīng)力分布式掛線點(diǎn)和塔腿主材較大，總的來看塔腿部分比塔頭部分應(yīng)力要大。而最大位移發(fā)生在塔頭的掛線處，下面掛導(dǎo)線附近也相對(duì)較大，鐵塔整體綜合位移分布是從塔頭到塔腿位移值漸小，塔腿最小;

(2)對(duì)鐵塔的桁梁模型進(jìn)行特征值屈曲分析，得到模型的臨界載荷和綜合位移分布情況。鐵塔覆冰情況下的失穩(wěn)點(diǎn)發(fā)生在塔頭下端的下曲臂的桿單元上，屈曲點(diǎn)的位移較大，有部分遠(yuǎn)離屈曲點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)的位移相對(duì)屈曲點(diǎn)的位移較小，對(duì)鐵塔塔頭的材料需進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)，這種情況在對(duì)鐵塔進(jìn)行分析設(shè)計(jì)必須注意。

建議:為了避免覆冰導(dǎo)致鐵塔失穩(wěn)帶來不必要的損失，使輸電線路更加安全，在鐵塔的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到在覆冰過大的荷載工況下鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，使鐵塔有一個(gè)充足的強(qiáng)度儲(chǔ)備，提高塔的設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)提高輸變電線路的整體投資，以保證電網(wǎng)能抵御惡劣的氣候，減低倒塔所造成的嚴(yán)重危害和經(jīng)濟(jì)損失。

［1］ 陳祥和.輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)［J］.中國電力出版社，2008:5－25.

［2］ 孟遂民，孔偉.架空輸電線路設(shè)計(jì)［J］.中國電力出版社，2007:45－55，245 －246.

［3］ 陸蕊.大林線220KV架空送電線路鐵塔有限元分析研究［D］.廣西:廣西大學(xué)，2006.

［4］ 段進(jìn).ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通［J］.北京科海電子出版社，2006:336 －337.

［5］ 曾程.大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)極限承載力分析［D］.同濟(jì)大學(xué)，32.

［6］ 李永航.輸電線路覆冰過大對(duì)輸電鐵塔的強(qiáng)度影響［J］.廣東建材，2009:1－2.