風(fēng)荷作用下的輸電塔結(jié)構(gòu)倒塌破壞分析

張卓群+周楠+李宏男+秦瑋

摘要：輸電塔-線體系作為高負(fù)荷電能的輸送載體，是一種重要的生命線工程。隨著人民生活水平的不斷提高和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，其安全性越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。本文采用ABAQUS有限元軟件，并基于顯式有限單元法與生死單元法對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行倒塌破壞分析。分析方法表明：本文提出的方法不僅可以清晰有效地模擬輸電塔-線體系在風(fēng)荷載作用下的倒塌行為和倒塌路徑，而且有助于設(shè)計(jì)者可以依據(jù)結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固等。

Abstract： Transmission tower line system， as the carrier of high load power transmission， is a kind of important lifeline engineering. With the continuous improvement of people's living standard and the rapid development of national economic construction， its security has gotten more and more attention. In this paper， the ABAQUS finite element software is used to analyze the collapse of the transmission tower line system based on the explicit finite element method and the life and death element method. The analytical method shows that the proposed method can simulate the collapse behavior and collapse path of transmission tower line system under wind load and help the designers to strengthen the transmission tower structure based on the structure of the damage process.

關(guān)鍵詞：輸電塔線體系；動(dòng)力特性分析；顯式有限單元法；倒塌破壞行為

Key words： transmission tower line system；dynamic characteristic analysis；explicit finite element method；collapse behavior

中圖分類(lèi)號(hào)：TM753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）35-0141-02

0 引言

越來(lái)越多的輸電塔倒塌事故，使得人們對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行能力頗為關(guān)注。特別是針對(duì)跨越高鐵、河道、公路的輸電線路，塔體結(jié)構(gòu)的安全度不僅關(guān)系到國(guó)家電網(wǎng)自身的安全運(yùn)行，也關(guān)系到人民群眾的生命安全。因此，針對(duì)于這類(lèi)極易受到外界荷載影響的輸電塔結(jié)構(gòu)，如何能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的分析與設(shè)計(jì)，并且評(píng)估其安全性能、倒塌性能、可修復(fù)情況等，都是目前亟待解決和研究的問(wèn)題[1-3]。

輸電塔-線體系作為高負(fù)荷電能輸送的載體，是一種重要的生命線工程。因此，本文借鑒建筑行業(yè)高層和超高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，提出采用ABAQUS有限元軟件，并基于顯式有限單元法與生死單元法對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行倒塌破壞分析。

1 倒塌分析方法

1.1 結(jié)構(gòu)倒塌模擬軟件

ABAQUS是美國(guó)ABAQUS公司的核心產(chǎn)品，是國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和廣泛的模擬性能，擁有大量不同種類(lèi)的單元模型、材料模型，以及分析過(guò)程等。無(wú)論是分析簡(jiǎn)單的線彈性問(wèn)題，還是處理復(fù)雜的非線性問(wèn)題；無(wú)論是分析靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，還是處理穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)問(wèn)題；無(wú)論是采用隱式求解方法，還是應(yīng)用顯式求解方法，ABAQUS軟件的計(jì)算與分析結(jié)果都令人非常滿(mǎn)意，在工程領(lǐng)域倍受信賴(lài)。ABAQUS/CAE、ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit是ABAQUS軟件核心的要素，其中ABAQUS/CAE是一個(gè)全面支持求解器的前后處理模塊，另外兩個(gè)模塊則是軟件最為依仗的兩種求解方法[4]。

ABAQUS/Explicit是一種顯式求解方法，可以實(shí)現(xiàn)顯式動(dòng)態(tài)分析，適用于求解復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題，特別適用于模擬短暫、瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)事件（如：倒塌、爆炸、沖擊等）。ABAQUS/Explicit的求解僅依賴(lài)于一個(gè)穩(wěn)定增量步長(zhǎng)，而與載荷的類(lèi)型和持續(xù)時(shí)間無(wú)關(guān)。它的求解方法是在時(shí)間域內(nèi)以很小的時(shí)間增量步向前推出計(jì)算結(jié)果，而無(wú)需在每一個(gè)增量步求解耦合的系統(tǒng)方程等。因此ABAQUS/Explicit可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，高效地求解復(fù)雜的非線性問(wèn)題。本文建立的輸電塔-線體系模型，主要是用于模擬輸電塔-線體系在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下的倒塌全過(guò)程。因?yàn)楹奢d是時(shí)刻發(fā)生變化的，結(jié)構(gòu)響應(yīng)也變化的非?？?，為了更精確地分析構(gòu)件瞬時(shí)的應(yīng)力和變形情況，就必須采用非常小的時(shí)間增量。如果采用隱式積分方法分析這類(lèi)問(wèn)題可能極為浪費(fèi)時(shí)間并且收斂性也很難保證，相反顯式積分方法則可將計(jì)算時(shí)間大大縮短，而且時(shí)間步長(zhǎng)也能滿(mǎn)足積分計(jì)算穩(wěn)定的條件。因此，本文采用ABAQUS/Explicit軟件和方法對(duì)風(fēng)致輸電塔-線倒塌情況進(jìn)行模擬與分析。

1.2 輸電塔結(jié)構(gòu)生死單元法

模擬輸電塔-線體系的連續(xù)倒塌過(guò)程，實(shí)則是模擬輸電塔結(jié)構(gòu)局部桿件達(dá)到或超過(guò)材料自身的極限值時(shí)，桿件首先發(fā)生破壞或失效，隨后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部發(fā)生破壞或損傷，最終致使整塔倒塌的全過(guò)程。應(yīng)用ABAQUS軟件分析倒塌過(guò)程的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于如何能夠合理地處理和模擬那些達(dá)到或超過(guò)極限狀態(tài)的單元，并且準(zhǔn)確地反映出失效單元對(duì)其它桿件承載力產(chǎn)生影響的過(guò)程。

因此，本文采用生死單元方法中“殺死”單元的方法，最終實(shí)現(xiàn)輸電塔-線體系的連續(xù)性倒塌模擬。生死單元法通常被稱(chēng)之為單元非線性方法，是指一些單元在狀態(tài)改變時(shí)表現(xiàn)出剛度等參數(shù)突變的行為。生死單元方法中“殺死”單元的方法就是指，如果某單元達(dá)到設(shè)定的極限狀態(tài)，則刪除相應(yīng)單元。所為要達(dá)到“單元死”的效果并非將“殺死”的單元從模型中完全刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)、或其它分析特性）矩陣乘以一個(gè)很小的因子。“殺死”的單元應(yīng)變、質(zhì)量、阻尼、比熱和其它類(lèi)似效果也設(shè)為零值，并且單元的質(zhì)量和能量將不被包括在模型求解結(jié)果中等[5]。

1.3 輸電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程

輸電塔-線體系在外荷載作用下的運(yùn)動(dòng)微分方程[1]可以表示為：

在風(fēng)致輸電塔-線體系連續(xù)倒塌分析與模擬過(guò)程中，隨機(jī)風(fēng)荷載將模擬成隨時(shí)間變化的函數(shù){P（t）}，然后直接求解運(yùn)動(dòng)方程。在顯式積分計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)單元達(dá)到設(shè)定的極限狀態(tài)時(shí)，采用前文介紹的“生死單元”方法，“殺死”相應(yīng)單元，最終實(shí)現(xiàn)桿件失效，整塔倒塌的要求。

2 輸電塔-線體倒塌模擬

500kV輸電線路為遼寧省蓋州市境內(nèi)新建電渤輸電線路的一部分[12]，工程起于營(yíng)口華能電廠，止于蓋州500kV渤海變電所，線路全長(zhǎng)35.71km。其實(shí)物見(jiàn)圖1所示。如圖2所示，輸電塔模型為SZ21型直線塔，結(jié)構(gòu)呼高為30m，塔體總高53.9m，基礎(chǔ)底寬與主塔頂寬度分別為8.36m和2.0m。輸電塔設(shè)上、中、下三處橫擔(dān)，由下至上伸臂長(zhǎng)度分別為：8.7m，10.45m和10m。輸電模式為雙回路四分裂式導(dǎo)線布置，輸電線共分四層，最上層是兩根地線，下面三層為六根四分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線和地線分別采用4×LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線和LGJ-95/55鋼芯鋁絞線，。導(dǎo)地線與輸電塔結(jié)構(gòu)通過(guò)“懸掛式”絕緣子連接，輸電塔-線體系水平檔距為400m。

為了真實(shí)地反映輸電塔-線體系在風(fēng)荷載作用下的倒塌行為，本文采用三塔四線有限元模型。具體倒塌過(guò)程如下：

當(dāng)數(shù)值模擬到14.53s時(shí)，輸電塔-線體系運(yùn)轉(zhuǎn)正常，全部桿件處于彈性變形階段，未發(fā)生任何破壞。輸電塔塔身中部一側(cè)的部分主材、斜材和輔材桿件在14.54s時(shí)同時(shí)發(fā)生破壞。依據(jù)本文介紹的“生死單元法”準(zhǔn)則，當(dāng)桿件應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，該桿件將被定義為死亡，桿件失去承載力。從圖中不難發(fā)現(xiàn)：開(kāi)始階段失效單元基本出現(xiàn)在塔身上部的主材及其周?chē)男辈暮洼o材。由于部分桿件承載力的缺失，引起了結(jié)構(gòu)受力情況的再分配和再平衡。隨著失效單元的不斷增加，結(jié)構(gòu)逐漸喪失了承載能力，最終導(dǎo)致了整塔的倒塌。此外，輸電塔-線體系在風(fēng)荷載作用下導(dǎo)地線的振動(dòng)和位移幅度明顯，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，這對(duì)輸電塔結(jié)構(gòu)倒塌破壞產(chǎn)生了巨大的影響。特別是導(dǎo)地線對(duì)輸電塔橫擔(dān)及塔頭的拉拽效果非常顯著，這種拉拽效應(yīng)直接加速了塔頭構(gòu)件的破壞、以及輸電塔向一側(cè)傾倒的速度。這也是導(dǎo)致輸電塔-線體系抗倒塌能力不強(qiáng)的重要原因。

通過(guò)算例分析可知：在分析與模擬輸電線路的倒塌破壞時(shí)應(yīng)該采用輸電塔-線體系有限元模型，輸電塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)算是非常必要的，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在結(jié)構(gòu)倒塌的分析過(guò)程中，設(shè)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，加固結(jié)構(gòu)的采取必要的抗倒塌措施。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用ABAQUS/Explicit軟件，采用“生死單元”的方法可以清晰地模擬出，輸電塔-線體系在風(fēng)荷載作用下倒塌的全過(guò)程。該方法對(duì)于分析和提高輸電塔-線體系抗倒塌能力，有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宏男，白海峰.高壓輸電塔線體系抗災(zāi)研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（2）：39-46.

[2]唐國(guó)安.我國(guó)500kV線路倒塔事故率淺析[J].電力建設(shè)，1994，15（11）：18-24.

[3]白海峰.輸電塔線體系環(huán)境荷載致振響應(yīng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[4]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]Nadimi S.，KhoushehmehrI.Z.J.，etal.Investigation and analysis of weld induced residualstresses in two dissimilar pipes by finite element modeling[J].Journal of Applied Sciences，2008，8（6）：1014-1020.

[6]Zhuo-qunZhang，Hong-nan Li，GangLi，etal.The Numerical Analysis of Transmission Tower-Line System Wind-induced Collapsed[J].Mathematical Problems in Engineering，Volume 2013，Article ID 413275，11 pages.