數(shù)值模擬在高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用

徐成 夏亮 李本悅 樊啟廣

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310028)

高聳結(jié)構(gòu)例如輸電塔結(jié)構(gòu)，由于其高柔特性，風(fēng)荷載常成為設(shè)計(jì)中的主要荷載或者控制荷載。風(fēng)荷載的隨機(jī)性，以及風(fēng)流經(jīng)格構(gòu)式結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的氣流分離等因素，導(dǎo)致輸電鐵塔的風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜。由于風(fēng)洞試驗(yàn)難以將輸電塔吹至破壞求得極限風(fēng)速，對于輸電塔結(jié)構(gòu)極限承載能力的分析，最有效經(jīng)濟(jì)的方式就是數(shù)值模擬。本文通過一個(gè)輸電塔工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了常態(tài)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)作用下的分析和計(jì)算。

1 工程概況

本文以廣東省某四回路220 kV角鋼輸電塔為原型建立了有限元模型，選取了合適的風(fēng)場參數(shù)并得到風(fēng)振系數(shù)，采用考慮雙重非線性的靜力計(jì)算模型，對比了常態(tài)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)下的極限承載力，為輸電塔抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 理論計(jì)算

2.1 參數(shù)取值

工程所在地屬于B類地貌，常態(tài)風(fēng)下風(fēng)速剖面按式(1)模擬:

其中，z為離地面高度，m;α=0.16;V10為10 m 高度參考風(fēng)速，取32.8 m/s。湍流度剖面按式(2)模擬:

其中，z為離地面高度，m;A為常數(shù)，當(dāng)z=30 m時(shí)，要求Iu=0.16。脈動(dòng)風(fēng)速模擬采用Kaimal風(fēng)譜，如式(3):

式中臺(tái)風(fēng)風(fēng)場的α=0.143［1］;湍流度剖面按式(5)模擬:

采用石沅風(fēng)譜模擬脈動(dòng)風(fēng)速:

本工程中根據(jù)輸電塔的形狀特點(diǎn)，將全塔自上而下分為18個(gè)風(fēng)速模擬區(qū)。兩類風(fēng)場下V10取值相同;時(shí)間步長0.062 5 s，時(shí)程總長512 s;截止頻率為2 Hz，等分?jǐn)?shù)1 024。在MATLAB程序中采用諧波疊加法生成風(fēng)速時(shí)程，并基于準(zhǔn)定常假定求得桿塔結(jié)構(gòu)的理論風(fēng)振系數(shù)［2］。

2.2 有限元模型

基于通用有限元軟件ANSYS對該角鋼輸電塔按1∶1建模，桿件材料采用的鋼材型號為Q235和Q345，采用Beam188單元模擬各角鋼桿件。有限元三維模型見圖1，前6階頻率如表1所示。

表1 輸電塔原型頻率及振型

材料的非線性指的是材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的。本次理論計(jì)算中涉及到輸電塔的彈塑性極限承載力分析，其中的塑性變形不可恢復(fù)。兩類材料均采用理想彈塑性模型BISO，以某構(gòu)件為例，其材料彈塑性模型見圖2。

圖1 輸電塔有限元模型

圖2 某構(gòu)件的材料彈塑性模型

2.3 計(jì)算及分析

輸電塔塔身的靜力風(fēng)荷載及計(jì)算風(fēng)向角按照《架空輸電線路鐵塔設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》［3］的規(guī)定來選取。鐵塔以及橫擔(dān)風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，按照下式進(jìn)行計(jì)算:

其中，Ws為鐵塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;W0為基本風(fēng)壓;μz為鐵塔高度系數(shù);μs為鐵塔體型系數(shù)，取為1.3(1+η);As為鐵塔迎風(fēng)構(gòu)件投影面積計(jì)算值;βz為鐵塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。取有限元模擬出的風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

采用荷載增量法對輸電塔進(jìn)行靜力荷載的施加，并基于B—R準(zhǔn)則判斷結(jié)構(gòu)的極限承載力［4］。

2.4 兩類風(fēng)場設(shè)計(jì)工況下的極限承載能力計(jì)算分析

B 類風(fēng)場 V10=32.8 m/s的4種工況(風(fēng)向角分別為0°，45°，60°，90°)下，輸電塔塔頂位移與荷載曲線見圖3。

圖3 B類風(fēng)場各風(fēng)向角下塔頂位移荷載曲線

以90°風(fēng)向角為例，在該工況下，輸電塔塔頂位移主要是X方向位移，Y方向位移幾乎可以忽略。通過對輸電塔構(gòu)件的最大應(yīng)力進(jìn)行分析，輸電塔的風(fēng)荷載由雙腿柱共同承受。底部受壓腿柱均已到達(dá)穩(wěn)定破壞，出現(xiàn)塑性變形;受拉腿柱未達(dá)屈服應(yīng)力，承載能力仍有富余。在該工況的極限荷載作用下，輸電塔塔身中段處的斜撐應(yīng)力均較大，相當(dāng)一部分受壓斜撐達(dá)到穩(wěn)定破壞強(qiáng)度?？梢娝碇猩喜康男辈呐c塔腿主材是該工況下的薄弱部位，是容易失穩(wěn)破壞的地方，在實(shí)際工程中應(yīng)予以重視。B類風(fēng)場下其余各風(fēng)向角情況類似，其相應(yīng)的靜力極限承載力及換算極限風(fēng)速如表2所示。

表2 B類風(fēng)場下各工況下的靜力極限承載力及換算極限風(fēng)速

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場與B類風(fēng)場下各工況類似，不再贅述。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下各風(fēng)向角下塔頂位移荷載曲線見圖4，其相應(yīng)的靜力極限承載力及換算極限風(fēng)速見表3。

表3 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下各工況下的靜力極限承載力及換算極限風(fēng)速

2.5 計(jì)算結(jié)果

1)輸電塔在B類風(fēng)場下的極限荷載為1.463 4Pd(Pd為設(shè)計(jì)荷載);在臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下的極限荷載為1.279Pd;臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下輸電塔的風(fēng)振系數(shù)取值較大，故其相應(yīng)的極限荷載較低。因此，臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)的輸電塔設(shè)計(jì)必須考慮臺(tái)風(fēng)高湍流引起的動(dòng)力風(fēng)荷載增大效應(yīng)。2)塔架結(jié)構(gòu)在B類風(fēng)場及臺(tái)風(fēng)風(fēng)場的設(shè)計(jì)荷載下，結(jié)構(gòu)的荷載—位移曲線滿足線性關(guān)系，在超越靜力彈性極限的情況下，也具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備及結(jié)構(gòu)剛度。3)在受0°，90°風(fēng)時(shí)，荷載由雙主材共同承受;在受斜向風(fēng)(風(fēng)向角為60°，45°)時(shí)，荷載主要由斜向的單一主材承受。因此斜向風(fēng)的情況下受力最危險(xiǎn)。

3 結(jié)語

由工程實(shí)例可見，通過數(shù)值模擬可以進(jìn)行塔身結(jié)構(gòu)在動(dòng)靜態(tài)風(fēng)荷載作用下的極限承載能力的計(jì)算和分析。在考慮雙重非線性的情況下，進(jìn)行數(shù)值模擬對輸電塔之類的高聳結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載力分析是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

［1］樓文娟，夏 亮，蔣 瑩，等.B類風(fēng)場與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)和風(fēng)振系數(shù)［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32(6):13，17.

［2］蔣 瑩.臺(tái)風(fēng)風(fēng)場下輸電塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［3］DL/T 5154-2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定［S］.

［4］Budiansky R.Axisymmetric dynamic buckling of clamped shallow spherical shells［C］//Langley Research Center.Instability of Shell Structure.USA，National Aeronautics and Space Administration，1962:597-606.