500kV輸電線路窄基鋼管塔有限元分析

翁蘭溪，趙金飛，池金明，李宏進(jìn)

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院 福建福州 350003)

引 言

圖1 窄基塔現(xiàn)場照片圖

圖2 窄基塔有限元模型圖

本文以石獅鴻山電廠 ～晉江500kVΙ、Ⅱ回線路工程中設(shè)計(jì)應(yīng)用的一種500kV雙回路窄基鋼管塔SZ2為研究對象(見圖1)。與常規(guī)塔相比，窄基塔根開受限制，塔身主材計(jì)算長度、長細(xì)比較小，不滿足規(guī)范的鉸接體系長徑比規(guī)定值。通過建立有限元計(jì)算模型，研究結(jié)構(gòu)的振型特征，分析二階效應(yīng)、次彎矩對窄基塔結(jié)構(gòu)的影響。

圖3 窄基塔單線圖

1 振型分析與塔身扭轉(zhuǎn)

窄基塔SZ2的鐵塔高度與根開比值為10～15，超過常規(guī)鐵塔的4～6，其截面能夠提供的扭轉(zhuǎn)剛度比常規(guī)鐵塔小，其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比常規(guī)鐵塔明顯。其結(jié)構(gòu)布置除了滿足普通鐵塔的受力要求，必須注意其塔身扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖4 一～三階陣型圖

采用Midas結(jié)構(gòu)分析軟件對窄基塔 SZ2(呼高54m，全高80.8m)進(jìn)行數(shù)值建模和動(dòng)力特性分析。桿塔前六階的自振周期如(表1)所示，有限元模型見(圖2)，桿塔單線圖見(圖3)，振型圖如(圖4)所示。

表1 窄基塔SZ2自振周期及振型表

通過(圖4)一～三階陣型可以看出:

本工程桿塔的整體前三振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲和繞Z向的扭轉(zhuǎn)，與多數(shù)輸電鐵塔的計(jì)算結(jié)果相類似。其中Y向一階與X向一階的振型頻率非常接近，相差0.6%，說明該桿塔結(jié)構(gòu)的Y向及 X向剛度相近。扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在Y向與X向一階振型之后，一階扭轉(zhuǎn)振型與橫向一階振型頻率相差約為57.1%，說明桿塔不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。隨后出現(xiàn)的是X向與Y向二階振型及局部振動(dòng)。

通過自振特性的數(shù)值分析結(jié)果可以看出，該桿塔結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置合理，動(dòng)力特性優(yōu)良。

2 桿塔次彎矩分析

《架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[1]7.3.4條“當(dāng)鋼管塔主材的長徑比不小于12、斜材的長徑比不小于24時(shí)，可按照空間桁架鉸接體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。否則，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛性引起的鋼管次彎矩的不利影響”?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]也有相同的規(guī)定。

采用 Midas有限元軟件建立窄基塔 SZ2模型。窄基鋼管塔的主材采用梁單元，其它受力較小的斜材和輔助材等采用桿單元模擬。以60°大風(fēng)工況為例，利用有限元分析結(jié)果，推算出各主材端部次彎矩應(yīng)力及與構(gòu)件承載力的影響見(表2)。表中對應(yīng)的主材段數(shù)見(圖3)。

表2 桿塔次彎矩計(jì)算分析

通過(表2)計(jì)算分析結(jié)果可知:與桿單元軸力相比較，梁單元構(gòu)件的軸力減少約1～3%;梁單元的桿端彎矩對主材應(yīng)力影響不可忽略，由于該塔沒有設(shè)計(jì)變坡，與其他塔的次應(yīng)力分布[3-4]有所區(qū)別。該塔塔腿處應(yīng)力增加約10%，下橫擔(dān)與塔身連接段主材應(yīng)力增加約7%。其余各段主材:長細(xì)比為15～16時(shí)，主材應(yīng)力增加的比例約7～10%;主材長細(xì)比越大，主材應(yīng)力增加越小，長細(xì)比27～30時(shí)，主材應(yīng)力增加的比例約3～5%。

3 P－△效應(yīng)

窄基塔破壞類型屬于極值型失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下發(fā)生整體彎曲變形。由于窄基塔的塔高與根開比值比常規(guī)塔更大，受二階效應(yīng)的影響也比常規(guī)塔要大。以下分析窄基塔SZ2桿塔二階效應(yīng)影響對塔身整體變形的影響以及對塔身構(gòu)件應(yīng)力影響。位移比較見(圖5)，桿塔部分構(gòu)件內(nèi)力比較見(表3)。通過分析可以看出，窄基塔SZ2在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)，二階效應(yīng)對桿塔變形影響小可以忽略，二階效應(yīng)對塔身主材內(nèi)力的影響小于1%。

表3 桿塔P－Δ效應(yīng)計(jì)算分析表

圖5 計(jì)算位移值對比圖

4 結(jié)論

本文以500kV雙回路窄基鋼管塔SZ2為研究對象，建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析，結(jié)論如下:

1)窄基鋼管塔SZ2整體前三階振型分別為X向的彎曲、Y向的彎曲和繞Z向的扭轉(zhuǎn)，自振特性的數(shù)值分析結(jié)果看出，該桿塔結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置合理，不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

2)與桿單元相比較，梁單元構(gòu)件的軸力減少約1～3%;

3)與桿單元相比較，塔腿處主材應(yīng)力增加約10%，下橫擔(dān)與塔身連接段主材應(yīng)力增加約7%。主材長細(xì)比越大，主材次應(yīng)力影響越小。建議設(shè)計(jì)中對小長細(xì)比的主材進(jìn)行次應(yīng)力驗(yàn)算。

4)在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)，窄基塔SZ2桿塔二階效應(yīng)影響對塔身整體變形的影響很小，對塔身主材內(nèi)力的影響小于1%。

[1]DL/T 5254-2010，架空輸電線路鋼管塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[2]GB 50017-2003 ，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]李茂華，楊靖波，李正良等.1000kV雙回路鋼管塔次應(yīng)力的影響因素[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(2):20-23.

[4]崔磊，特高壓輸電鋼管塔次應(yīng)力研究[J].廣東電力，2013，26(1):50-52.