Z3型貓頭塔動(dòng)力特性分析

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

輸電鐵塔作為一種重要的電力設(shè)施，被廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生活中。與此同時(shí)，人們生活中也越來越離不開電，穩(wěn)定的電力供應(yīng)變得愈發(fā)重要。然而，因社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而對(duì)既有輸電線路的擴(kuò)容改造及自然災(zāi)害的發(fā)生而導(dǎo)致的輸電塔倒塌事故時(shí)有發(fā)生，影響了人們的正常生活也造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。輸電塔的動(dòng)力特性對(duì)其倒塌模式有著重要的影響，因此，輸電塔的動(dòng)力特性研究對(duì)確保輸電塔穩(wěn)定可靠的運(yùn)行有著重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義。本文選取廣東某地區(qū)Z3型貓頭塔為研究對(duì)象，借助通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。

一、輸電塔建模

(一)建模思路

利用ANSYS建立輸電塔模型通常有三種思路：桁架模型、剛架模型、桁梁混合模型。選用輸電塔桁架模型會(huì)造成模型的整體剛度偏小，這是因?yàn)檩旊娝卿撝g不是完全鉸接而是半剛性連接，采用桁架模型與實(shí)際情況不符合。此外，采用桁架模型可能會(huì)因?yàn)椤捌矫婀?jié)點(diǎn)”而導(dǎo)致模型不能進(jìn)行靜力計(jì)算。

選用輸電塔剛架模型會(huì)造成模型的整體剛度偏大，輸電塔角鋼之間完全剛性連接的處理方法與輸電塔的實(shí)際情況不符合。同時(shí)，建立剛架模型需要定義輸電塔每一根角鋼的擺向，建模工作量較大，不利于快速建模。

目前輸電塔建模多采用桁梁混合模型，桁梁混合模型中主腹桿的剛度和對(duì)輸電塔模型約束偏大且次腹桿的剛度和對(duì)輸電塔模型約束偏小，二者相互抵消，較為合理。

(二)單元選擇

本文中輸電塔采用桁梁混合模型建模選擇使用ANSYS單元庫中的BEAM188單元和LINK8單元。使用BEAM188單元來模擬輸電塔的主材、橫隔材及與輔助材連接的斜材；使用LINK8單元來模擬輸電塔的輔助材和沒有連接輔助材的斜材。

BEAM188是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)上有6或7個(gè)自由度，分別是沿x、y、z方向的位移及繞其的轉(zhuǎn)動(dòng)。必要時(shí)可以添加翹曲自由度。BEAM188是基于Timoshenko梁理論，具有扭切變形效果。能夠很好的應(yīng)用于線性分析、大偏轉(zhuǎn)，大應(yīng)力的非線性分析。

LINK8單元是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性桿單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，分別是沿x、y、z方向的位移。LINK8單元只能承受單軸拉壓，不能承受彎矩。本單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能。LINK8單元能夠應(yīng)用于模擬桁架、垂纜、連桿、彈簧等。

(三)平面節(jié)點(diǎn)

前文中所提到的“平面節(jié)點(diǎn)”是指在某一節(jié)點(diǎn)上連接有多個(gè)桿件且這些桿件都在同一平面內(nèi)，這些桿件在該平面內(nèi)處于幾何不變狀態(tài)，而在垂直于該平面的方向，這些桿件處于幾何可變狀態(tài)。這樣的節(jié)點(diǎn)就是“平面節(jié)點(diǎn)”。輸電塔模型中如果存在平面節(jié)點(diǎn)就會(huì)造成輸電塔整體剛度矩陣奇異，從而導(dǎo)致所建成的分析模型無法正常使用。

處理“平面節(jié)點(diǎn)”常用方法有兩種：第一種方法是對(duì)平面節(jié)點(diǎn)施加面外約束，控制其面外變形；第二種方法是刪除平面節(jié)點(diǎn)，建模中對(duì)部分角鋼的連接進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如，使用桿單元?jiǎng)?chuàng)建輸電塔斜材時(shí)，斜材間的“交叉點(diǎn)”處不創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，即兩根斜材間不通過節(jié)點(diǎn)來連接。

(四)建模方法

利用ANSYS建立輸電塔模型有兩種方法：實(shí)體建模及直接法建模。直接法建模就是通過創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，并在節(jié)點(diǎn)之間直接生成單元的一種有限元模型建立方法，通常適用于簡(jiǎn)單和小型模型。對(duì)于規(guī)模較大、空間構(gòu)造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，直接法建模的工作量較大，不建議使用。

實(shí)體建模就是通過描述所分析結(jié)構(gòu)的幾何邊界來創(chuàng)建實(shí)體模型，并在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行單元屬性分配，網(wǎng)格劃分水平設(shè)置，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，ANSYS會(huì)自動(dòng)生成全部節(jié)點(diǎn)及單元。實(shí)體建模又分為自底向上建模和自頂向下建模。自底向上建模是先創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，然后利用關(guān)鍵點(diǎn)定義線、面、體；自頂向下建模就是直接利用高級(jí)別的對(duì)象建立實(shí)體模型。

考慮到輸電塔模型角鋼擺放的差異對(duì)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的影響及采用直接法建模無法對(duì)角鋼擺放進(jìn)行設(shè)置，本文采用自底向上的實(shí)體建模方法，嚴(yán)格按照輸電塔設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，在關(guān)鍵點(diǎn)間生成線單元來模擬角鋼，角鋼的擺放與圖紙一致。

ANSYS建模由用戶自己定義角鋼的擺放。通過梁?jiǎn)卧膇節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)之間的連線方向以及關(guān)鍵點(diǎn)Z的方位來確定角鋼的擺放，依據(jù)“右手定則”可以很便捷的完成角鋼擺放的設(shè)置。建模完成后，輸電塔正視圖和角鋼擺放細(xì)部圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 輸電塔正視圖

圖2 角鋼擺放細(xì)部圖

二、輸電塔模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固定頻率及振型，它們是承受動(dòng)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本文用模態(tài)分析的結(jié)果來指導(dǎo)模型的修正，使有限元分析模型更加趨近于實(shí)際狀態(tài)。模態(tài)分析是一種線性分析，非線性特征在分析過程中會(huì)被忽略。模態(tài)分析主要使用分塊蘭索斯法(LANB)及子空間迭代法(SUBSP)，本文選用子空間迭代法進(jìn)行分析。約束塔腿處四個(gè)節(jié)點(diǎn)全部自由度，提取前六階模態(tài)，由模態(tài)分析可得到輸電塔前六階振動(dòng)頻率，根據(jù)自振周期與頻率的倒數(shù)關(guān)系，可以計(jì)算出前六階自振周期。輸電塔頻率、周期如表1所示，圖3為輸電塔前六階振型圖。

表1 輸電塔前六階自振頻率及周期

圖3 輸電塔前六階振型圖

由圖3所示，第一階模態(tài)為Z方向平動(dòng)振型；第二階模態(tài)為X方向平動(dòng)振型；第三階模態(tài)為整體扭轉(zhuǎn)振型；第四階模態(tài)為Z方向二階平動(dòng)加局部振型；第五階模態(tài)為X方向二階平動(dòng)振型；第六階模態(tài)為局部振型。輸電塔局部振型出現(xiàn)的較晚，結(jié)構(gòu)整體性良好。

三、小節(jié)

本文以Z3型貓頭塔為例，對(duì)輸電塔建模過程中模型類型、單元選擇、平面節(jié)點(diǎn)、建模方法等進(jìn)行了探討。通過對(duì)輸電塔進(jìn)行模態(tài)分析研究了自振頻率、周期和振型等動(dòng)力特性，為該型輸電塔的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、改造等提供了參考意義。

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