特高壓輸電黃河大跨越直線(xiàn)塔特殊節(jié)點(diǎn)的有限元分析

雷　強(qiáng)，馬詩(shī)文，李　菁，田文博，徐　震

（1.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，?jì)南　250013；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南　250001；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南　250021；4.國(guó)網(wǎng)東營(yíng)供電公司，山東　東營(yíng)　257000）

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特高壓輸電黃河大跨越直線(xiàn)塔特殊節(jié)點(diǎn)的有限元分析

雷強(qiáng)1，馬詩(shī)文2，李菁3，田文博4，徐震1

（1.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，?jì)南250013；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；4.國(guó)網(wǎng)東營(yíng)供電公司，山東東營(yíng)257000）

摘要：±800 kV山西晉北—江蘇南京特高壓直流輸電線(xiàn)路工程黃河大跨越直線(xiàn)塔采用鋼管塔，部分節(jié)點(diǎn)連接桿件多、受力復(fù)雜。采用有限元軟件對(duì)2個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)各工況下受力性能進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)選用的鋼材規(guī)格能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求。

關(guān)鍵詞：大跨越；鋼管塔；節(jié)點(diǎn)；有限元

1　概述

±800 kV山西晉北—江蘇南京特高壓直流輸電線(xiàn)路工程黃河大跨越采用“耐（JM-37）—直（ZKT-100）—直（ZKT-100）—耐（JM-57）”跨越方式。2基直線(xiàn)跨越塔采用單回路自立式鋼管塔，呼高為100 m，全高為104.5 m。

直線(xiàn)跨越塔塔頭承受大跨越導(dǎo)地線(xiàn)巨大荷載，為保證塔頭尺寸合理緊湊、結(jié)構(gòu)傳力簡(jiǎn)潔明確，通過(guò)對(duì)不同塔頭型式的選型比較，直線(xiàn)跨越塔采用展翅型塔頭，見(jiàn)圖1。展翅型塔頭外形與電氣間隙配合較緊湊，塔身主柱高度最小，塔重較輕。但是該種塔頭橫擔(dān)上平面交點(diǎn)處（節(jié)點(diǎn)1）共計(jì)11根桿件交匯一起，橫擔(dān)和塔身交點(diǎn)處（節(jié)點(diǎn)2）共計(jì)10根桿件交匯一起。在不同工況下，所交匯的各桿件承受不同拉壓荷載，使這兩處節(jié)點(diǎn)受力尤為復(fù)雜。節(jié)點(diǎn)起著傳遞荷載，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件連成整體作用，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到整個(gè)鐵塔結(jié)構(gòu)的安全。利用有限元軟件ABAQUS［1］對(duì)上述兩節(jié)點(diǎn)各工況下受力情況進(jìn)行分析，為大跨越塔節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1　直線(xiàn)跨越塔塔頭

2　節(jié)點(diǎn)樣式選擇

鋼桁架節(jié)點(diǎn)常用3種節(jié)點(diǎn)樣式［2］：焊接空心球節(jié)點(diǎn)、焊接鋼管節(jié)點(diǎn)和螺栓球節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2　節(jié)點(diǎn)樣式

焊接空心球節(jié)點(diǎn)是一種桿件直接焊接到閉合的球形殼體上形成的節(jié)點(diǎn)，桿件軸力均由球殼承受。焊接鋼管節(jié)點(diǎn)是焊接空心球節(jié)點(diǎn)的一種變化形式，以一小段鋼管代替空心球，以往認(rèn)為該型節(jié)點(diǎn)加工比較困難，隨著計(jì)算機(jī)放樣技術(shù)和自動(dòng)焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用，鋼管塔加工廠(chǎng)家生產(chǎn)這種節(jié)點(diǎn)已比較容易。螺栓球節(jié)點(diǎn)是由高強(qiáng)度螺栓將鋼管構(gòu)件與球體連接成一體，在構(gòu)造上比較接近于鉸接模型。螺栓球節(jié)點(diǎn)由于其特殊構(gòu)造，在輸電線(xiàn)路鋼管塔上無(wú)法采用。

根據(jù)直線(xiàn)跨越塔荷載情況，綜合考慮鋼管塔廠(chǎng)家加工能力和鐵塔施工等因素，本工程節(jié)點(diǎn)選擇大多鋼管塔加工廠(chǎng)家都可加工的焊接鋼管節(jié)點(diǎn)型式。

根據(jù)直線(xiàn)跨越塔交匯于節(jié)點(diǎn)處桿件的外徑、壁厚，桿件與節(jié)點(diǎn)鋼管相貫豎向長(zhǎng)度及構(gòu)造要求，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2均初步選擇Q345Bφ529×25。

3　有限元模型建立

3.1材料本構(gòu)關(guān)系

節(jié)點(diǎn)鋼材屈服強(qiáng)度取fy=345 MPa，彈性模量取Es=2.06×105MPa。由于荷載較大，按理想材料本構(gòu)關(guān)系，塑性變形過(guò)大容易導(dǎo)致不收斂，因此選取與實(shí)際接近的本構(gòu)關(guān)系，其材料本構(gòu)模型如圖3所示。

3.2節(jié)點(diǎn)1模型

節(jié)點(diǎn)1位于左右橫擔(dān)連接處，如圖4所示，共有11根支管與主管連接。g1、g2、g3、g4和g5支管與主管相貫連接，另外6根支管通過(guò)插板螺栓連接在加勁板上，加勁板與節(jié)點(diǎn)管壁焊接。

圖3　材料本構(gòu)模型

圖4　節(jié)點(diǎn)1模型

3.3節(jié)點(diǎn)2模型

節(jié)點(diǎn)2模型如圖5所示，共有10支管與主管相連接。ZG1（520），ZG2（530）和ZG3（540）支管與主管相貫連接，ZGX（1100）支管通過(guò)法蘭盤(pán)與主管連接，其余6根支管通過(guò)插板螺栓連接在加勁板上，加勁板與主管管壁焊接。

圖5　節(jié)點(diǎn)2模型

3.4有限元模型建立

節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2均以實(shí)體建模，網(wǎng)格單元采用C3D8R，所有接觸類(lèi)型均為T(mén)ie綁定約束，集中荷載與螺栓孔采用耦合約束。節(jié)點(diǎn)1約束條件為主管上、下端自由，支管遠(yuǎn)端采用滑動(dòng)支座，只能發(fā)生軸向位移；節(jié)點(diǎn)2主管上端自由，主管下端以及相貫支管遠(yuǎn)端看作滑動(dòng)支座，只能發(fā)生軸向位移。共設(shè)置2個(gè)分析步，在第一個(gè)分析步施加10 N的集中荷載，使分析一開(kāi)始就很容易建立接觸關(guān)系，在第二個(gè)分析步施加實(shí)際集中荷載，保證分析過(guò)程收斂。

4　有限元分析結(jié)果

4.1節(jié)點(diǎn)1有限元分析結(jié)果

將多種工況下的桿件荷載施加到對(duì)應(yīng)法蘭節(jié)點(diǎn)上，得到節(jié)點(diǎn)在各工況下的Von-MIses應(yīng)力。節(jié)點(diǎn)1荷載位置節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖6所示。

圖6　節(jié)點(diǎn)1荷載位置編號(hào)

4.1.1工況1（90°風(fēng)工況）

在工況1下，節(jié)點(diǎn)1應(yīng)力如圖7所示，從應(yīng)力圖中可以看出節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為369 MPa，已經(jīng)達(dá)到屈服極限。從圖中可以看出支管g5靠近主管區(qū)域出現(xiàn)大面積的屈服，材料從彈性階段進(jìn)入塑性屈服階段，發(fā)生塑性變形，但節(jié)點(diǎn)1主管絕大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。在工況1作用下節(jié)點(diǎn)1主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖7　工況1節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

4.1.2工況2（45°風(fēng)）

在工況2下，應(yīng)力如圖8所示，從云圖中可以看出節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為351 MPa，已經(jīng)屈服。從圖中可以看出支管g5靠近主管區(qū)域出現(xiàn)一定面積的屈服區(qū)域，同時(shí)相貫區(qū)域和加勁板與管焊接區(qū)域也出現(xiàn)小面積的屈服，存在應(yīng)力集中，材料從彈性階段進(jìn)入塑性屈服階段，發(fā)生塑性變形，但節(jié)點(diǎn)1主管絕大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。在工況2作用下節(jié)點(diǎn)1主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖8　工況2應(yīng)力云圖

4.1.3工況14（斷右導(dǎo)線(xiàn)）

在工況14下應(yīng)力如圖9所示，從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為351MPa，已經(jīng)屈服。支管g1、g3、g4、g5及相貫焊接處與法蘭板和加勁板焊接處出現(xiàn)了小面積的屈服，但節(jié)點(diǎn)1主管絕大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。在工況14作用下節(jié)點(diǎn)1主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖9　工況14應(yīng)力云圖

4.1.4工況33（覆冰）

在工況33下，節(jié)點(diǎn)1應(yīng)力圖如圖10所示，從云圖中可以看出節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為412 MPa，已經(jīng)屈服。支管g5靠近主管的一側(cè)出現(xiàn)大面積的屈服，主管上端、相貫焊接處及法蘭板焊接處均出現(xiàn)一定面積的屈服區(qū)域，但節(jié)點(diǎn)1主管絕大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。綜上所述，在工況33作用下節(jié)點(diǎn)1主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖10　工況33應(yīng)力云圖

4.1.5工況41（安裝）

在工況41下，節(jié)點(diǎn)1應(yīng)力如圖11所示，從云圖中可以看出節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為443 MPa，已經(jīng)屈服。支管g4、g5出現(xiàn)大面積的屈服區(qū)域，相貫焊接處及法蘭板焊接處均出現(xiàn)一定面積的屈服區(qū)域，但節(jié)點(diǎn)1主管絕大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。在工況41作用下節(jié)點(diǎn)1主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖11　工況41應(yīng)力云圖

4.2節(jié)點(diǎn)2有限元分析結(jié)果

將多種工況下的桿件荷載施加到對(duì)應(yīng)法蘭節(jié)點(diǎn)上，得到節(jié)點(diǎn)在各工況下的Von-MIses應(yīng)力。節(jié)點(diǎn)2荷載位置節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖12所示。

4.2.1工況1（90°風(fēng)）

在工況1下，節(jié)點(diǎn)2的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖13，從內(nèi)力云圖中可以看出，在主管與支管（520）和支管（530）相貫處的小部分區(qū)域，以及支管（540）與法蘭盤(pán)（FLB6）連接處的小部分區(qū)域，材料從彈性階段進(jìn)入塑性屈服階段，發(fā)生塑性變形，其余絕大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。在該荷載工況作用下節(jié)點(diǎn)2主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖12　節(jié)點(diǎn)2編號(hào)

圖13　工況1應(yīng)力圖

4.2.2工況6（60°大風(fēng)）

在工況6下，節(jié)點(diǎn)2的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖14。從圖14中可以看出，在主管與支管（520）和支管（530）相貫處的小部分區(qū)域，加勁板（JJB6）與主管連接部位，以及支管（540）與法蘭盤(pán)（FLB6）連接處的小部分區(qū)域，材料從彈性階段進(jìn)入塑性屈服階段，發(fā)生塑性變形，其余絕大部分區(qū)域材料均處于彈性工作階段。在該荷載工況作用下節(jié)點(diǎn)2主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖14　工況6應(yīng)力圖

4.2.3工況14（斷右導(dǎo)線(xiàn)）

在工況14下，節(jié)點(diǎn)2的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖15，從圖15中可以看出，在主管的中部區(qū)域，主管與支管（520）和支管（530）相貫處的大部分區(qū)域，加勁板（JJB4）與主管連接處下端部位，加勁板（JJB6）與主管、支管（530）和法蘭盤(pán)（FLB6）連接的部位，加勁板（JJB5）與支管（520）連接處的大部分區(qū)域，以及主管底部法蘭盤(pán)與加勁板連接的小部分區(qū)域等，這些區(qū)域材料從彈性階段進(jìn)入塑性屈服階段，材料發(fā)生塑性變形，可認(rèn)為材料已達(dá)到屈服狀態(tài)，但節(jié)點(diǎn)2主管大部分區(qū)域均處于彈性工作階段。在該荷載工況作用下節(jié)點(diǎn)2主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖15　工況14應(yīng)力圖

4.2.4工況17（安裝）

在工況17下，節(jié)點(diǎn)2的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖16，從圖16中可以看出，在主管與支管（520）和支管（530）相貫處的小部分區(qū)域，加勁板（JJB6）與法蘭盤(pán)（FLB6）連接的部位，以及支管（540）與法蘭盤(pán)（FLB6）連接處的小部分區(qū)域，材料從彈性階段進(jìn)入塑性屈服階段，發(fā)生塑性變形，其余絕大部分區(qū)域材料均處于彈性工作階段，可認(rèn)為材料可以正常工作，在該荷載工況作用下節(jié)點(diǎn)2主管承載力滿(mǎn)足要求。

圖16　工況17應(yīng)力圖

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析，黃河大跨越直線(xiàn)塔特殊節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2在承載力方面有以下結(jié)論：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)盡管有部分區(qū)域進(jìn)入塑性，但大部分區(qū)域均處于彈性范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)有足夠強(qiáng)度儲(chǔ)備，盡管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，但在承載力上還是安全的［3-4］。有限元分析結(jié)果表明部分支管鋼材在一些工況下進(jìn)入塑性狀態(tài)，部分支管需采取加大壁厚等措施加強(qiáng)。本文僅分析了節(jié)點(diǎn)在各工況荷載情況下的應(yīng)力狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)極限承載力還需進(jìn)一步分析。

參考文獻(xiàn)

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

［4］Q/GDW 391—2009輸電線(xiàn)路鋼管塔構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

Finite Element Analysis on Straight Tower Special Nodes of Long Span Crossing the Yellow River in UHV Transmission

LEI Qiang1，MA Shiwen2，LI Jing3，TIAN Wenbo4，XU Zhen1
（1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. Economic＆Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；4. State Grid Dongying Power Supply Company，Dongying 257000，China；）

Abstract:±800 kV In the Shanxijinbei-Jiangsunanjing DC transmission line project，steel pipe tower is used for the long span crossing over the Yellow River. For those towers，some special nodes are connected to many members and stressed in a complex state. Two special nodes are analyzed using finite element analysis software. The results indicated the adopted steel specification used in special nodes can meet the requirement of the structural force.

Key words:long pan crossing；steel tube structure；node；finite analyses

中圖分類(lèi)號(hào)：TM753

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007－9904（2016）05－0005－05

收稿日期：2016-03-21

作者簡(jiǎn)介：

雷強(qiáng)（1981），男，工程師，從事線(xiàn)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。