±800kV特高壓直流重冰區(qū)輸電鐵塔真型試驗(yàn)及螺栓連接滑移影響分析

蔣 銳， 劉翔云， 何松洋， 楊 洋， 李張謀， 李 林

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司， 成都 610021)

0 引言

輸電鐵塔大多采用普通螺栓進(jìn)行構(gòu)件之間的連接，考慮加工和安裝誤差，螺栓孔徑通常比螺栓直徑大1.5～2mm，輸電鐵塔為超靜定桁架結(jié)構(gòu)，螺栓連接滑移對結(jié)構(gòu)的整體位移和構(gòu)件內(nèi)力有一定影響。從20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)外學(xué)者開始對輸電鐵塔螺栓連接滑移開展了研究。Petersen[1]和Marjerrison[2]指出螺栓連接滑移是導(dǎo)致輸電鐵塔產(chǎn)生位移的主要原因之一。Ramberg等[3]提出了螺栓滑移的變形過程曲線參數(shù)化方程。Kitipornchai等[4]提出了格構(gòu)式結(jié)構(gòu)螺栓滑移的滑動過程曲線參數(shù)化方程。趙滇生[5]在非線性剛度矩陣中考慮初變形來分析輸電塔螺栓滑移影響。張殿生[6]給出了一種考慮螺栓連接滑移的增量位移計(jì)算公式，且該公式認(rèn)為滑移量為定值，只適用于線彈性結(jié)構(gòu)。Ungkurapinan等[7-8]對輸電塔螺栓連接進(jìn)行了滑移試驗(yàn)，得出了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線。江文強(qiáng)[9]建立了考慮螺栓滑移的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)有限元模型，并結(jié)合220kV重冰區(qū)鐵塔試驗(yàn)對不均勻彎和不均勻扭工況進(jìn)行了分析。齊立忠等[10]采用簡化的理想連接滑移模型對500kV輸電塔進(jìn)行了內(nèi)力分析。孟遂民等[11]建立了考慮螺栓二次滑移的有限元模型，并對典型鐵塔進(jìn)行了分析。張子陽[12]對常規(guī)特高壓塔進(jìn)行了考慮節(jié)點(diǎn)連接滑移的直接非線性理論分析；張迪[13]根據(jù)螺栓連接的端距、邊距等結(jié)構(gòu)參數(shù)分析了各因素對螺栓連接的影響。姚寬等[14]以貓頭型直線塔為對象，將構(gòu)件設(shè)置為剛性單元和滑移連接單元組合，對螺栓連接滑移影響進(jìn)行了理論分析。

以上研究結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)形成了一定的理論體系，但研究對象大都是試驗(yàn)構(gòu)件或者小型鐵塔，或者在考慮螺栓滑移的有限元分析時將原構(gòu)件簡化為剛性單元或僅為桿單元，若用于較復(fù)雜鐵塔結(jié)構(gòu)的理論分析，尚存在一定局限性。而±800kV特高壓直流輸電線路輸送容量大，輸送距離長，其中重冰區(qū)輸電鐵塔是最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，大多處于環(huán)境惡劣的冰雪中，相比500，220kV等低電壓等級小型鐵塔以及常規(guī)特高壓鐵塔，體量更大、橫擔(dān)更長、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、螺栓滑移后結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的概率更大。若運(yùn)行中發(fā)生破壞將產(chǎn)生極大影響，但目前還沒有對特高壓直流重冰區(qū)鐵塔的螺栓連接滑移進(jìn)行過相關(guān)的分析。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，目前此類鐵塔計(jì)算方法采用傳統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)或梁桿模型進(jìn)行一階分析，不考慮二階效應(yīng)，主要考慮螺栓的連接強(qiáng)度計(jì)算，較少考慮螺栓的連接剛度問題，使結(jié)構(gòu)分析的精度受到影響，計(jì)算結(jié)果存在局部安全性能較低的潛在風(fēng)險。因此有必要對特高壓直流重冰區(qū)輸電鐵塔采用更加精確的結(jié)構(gòu)分析方法，提高其安全性能，保障特高壓輸電線路的安全運(yùn)行。

本文以烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程(簡稱烏東德特高壓輸電工程)重冰區(qū)JC27201BW鐵塔為對象，采用ANSYS首次建立了考慮螺栓連接滑移的有限元模型，考慮了材料非線性和幾何非線性，對多種控制工況進(jìn)行分析，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果[15]以及傳統(tǒng)梁桿單元模型計(jì)算結(jié)果，對比分析了螺栓連接滑移對于特高壓直流重冰區(qū)輸電鐵塔的影響。

1 螺栓連接滑移參數(shù)化方程

螺栓連接滑移可簡化為圖1所示，存在構(gòu)造間隙，其荷載-位移曲線一般原理如圖2所示。首先為螺栓滑動過程(①②部分)，其中AB段是隨荷載增加角鋼彈性伸長過程，此時軸向荷載小于角鋼接觸面間摩擦力，在摩擦力作用下，角鋼間滑移量很小，連接剛度較大；BC段軸向荷載超過摩擦力，此時角鋼間螺栓開始做消除構(gòu)造間隙的滑動，連接剛度大幅降低；然后是孔壁變形過程(③④部分)，孔壁和螺栓桿互相接觸，均產(chǎn)生擠壓變形，其中CD段為彈性變形過程，包括孔壁變形和角鋼伸長變形，連接剛度有所回升，DE段為塑性變形直到節(jié)點(diǎn)破壞的過程[12]。螺栓連接滑移過程可以拆分為兩個部分，即滑動過程和變形過程，可用變形過程曲線和滑動過程曲線分別表示，如圖3所示。其中變形過程曲線方程[3]見式(1),滑動過程曲線方程[4]見式(2)，兩條曲線疊加后綜合位移方程為式(3)。

圖1 螺栓連接滑移示意圖

圖2 螺栓滑移荷載-位移曲線

圖3 變形過程曲線和滑動過程曲線

(1)

(2)

(3)

式中：P為荷載值；Δ1為變形過程位移；Py為屈服荷載；δy為與之對應(yīng)的變形量；α和N為曲線的形狀參數(shù)，α控制的是屈服點(diǎn)后曲線彎曲的平滑程度，而N影響的是屈服后彎曲線再往后直線部分的傾斜趨勢；Δ2為滑動過程位移；Ps為滑動載荷；δ0為滑移量，即初始安裝螺栓孔間隙量；m和n均為形狀參數(shù)，分別控制曲線滑移段左右兩側(cè)的曲線形狀。

2 試驗(yàn)簡述及有限元建模

2.1 試驗(yàn)簡述

烏東德特高壓輸電工程JC27201BW鐵塔試驗(yàn)為足尺真型塔試驗(yàn)，塔身方形，為20mm重冰區(qū)鐵塔，其10m高設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為27m/s，導(dǎo)線采用8×JL/G2A-900/75型號，地線采用JL/G2A-900/75和JLB20A-150型號，跳線采用V型布置，試驗(yàn)共設(shè)置了6個位移測點(diǎn)和41個應(yīng)變測點(diǎn)(圖4)，在充分考慮了特高壓直流重冰區(qū)鐵塔受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇了7個典型荷載工況(表1)，其中上拔荷載相關(guān)工況是國內(nèi)首次在特高壓直流重冰區(qū)真型塔試驗(yàn)中實(shí)施。工況1～6的加荷順序?yàn)椋?—50%—75%—90%—95%—100%—50%—0；工況7為超載工況，加荷順序?yàn)椋?—50%—75%—90%—95%—100%—105%—110%—115%—120%；加載點(diǎn)共25個(圖5)，超載工況主要荷載見表2，每種工況加荷前都緊固一次螺栓，試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖6所示。

表1 試驗(yàn)荷載工況

表2 超載工況主要荷載

圖4 位移測點(diǎn)和應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

圖5 加載點(diǎn)布置圖

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場布置實(shí)景

2.2 有限元建模

采用ANSYS軟件建模時，主材和橫隔面采用Beam189梁單元模擬，斜材采用Link8桿單元模擬，螺栓連接滑移模型中增加Combin39非線性彈簧單元模擬螺栓連接，建立新型的組合單元。結(jié)合實(shí)際鐵塔設(shè)計(jì)圖紙，主材節(jié)點(diǎn)都是雙肢連接，塔身斜材節(jié)點(diǎn)雖然是單肢連接，但大部分為兩個及以上螺栓連接，因此在節(jié)點(diǎn)處主要考慮其在軸向荷載作用下的連接滑移行為，其他方向彈簧剛度設(shè)為極大值，彈簧連接節(jié)點(diǎn)簡化模型和有限元模型見圖7，8。螺栓連接滑移本構(gòu)參數(shù)參考文獻(xiàn)[7-8,12]進(jìn)行取值，如表3所示。

表3 螺栓連接滑移本構(gòu)參數(shù)

圖7 各類螺栓連接節(jié)點(diǎn)簡化模型

圖8 組合單元及有限元模型示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 鐵塔位移分析

表4為各工況控制下的最大變形方向及位移測點(diǎn)號，采用非線性計(jì)算后所得傳統(tǒng)梁桿單元模型(簡稱梁桿模型)和螺栓連接滑移模型(簡稱滑移模型)兩種模型以及試驗(yàn)值的荷載-位移曲線如圖9所示。100%荷載作用下的位移值見表5。

表4 最大變形方向及位移測點(diǎn)號

圖9 各工況荷載-位移曲線

結(jié)合表5和圖9可知，在100%荷載作用下，覆冰工況2中地線支架的X向(橫向)位移試驗(yàn)值最大，為368mm，鐵塔高度為58m，計(jì)算撓度為6.3‰，滿足正常使用要求，滑移模型位移相對偏差約8.23%～10.14%，梁桿模型位移相對偏差約-35.21%～-53.68%；斷線上拔工況5中橫擔(dān)和地線支架的Y向(縱向)位移試驗(yàn)值最大，分別為1 127mm和1 223mm，橫擔(dān)和地線支架懸挑長度分別為25.4m和15.4m，橫擔(dān)和地線支架計(jì)算撓度分別為4.4%和7.9%，滿足正常使用要求，滑移模型位移相對偏差約4.82%～9.94%，梁桿模型位移相對偏差約-66.15%～-40.72%；覆冰工況2中橫擔(dān)的Z向(垂直)位移試驗(yàn)值最大，為368mm，計(jì)算撓度為1.4%，滿足正常使用要求，滑移模型位移相對偏差約7.07%～10.56%，梁桿模型位移相對偏差為-0.27%～0.56%，位移變形圖如圖10所示。

圖10 螺栓滑移模型變形云圖/m

表5 100%荷載作用下的位移值比較

綜上可說明對于特高壓直流重冰區(qū)鐵塔的X，Y方向變形，梁桿模型不能準(zhǔn)確地計(jì)算和預(yù)測，而滑移模型計(jì)算得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)值比較吻合，說明本次計(jì)算采用的螺栓連接滑移本構(gòu)模型及參數(shù)取值是基本合理的，能夠較好地描述鐵塔在外荷載作用下的位移變化。

如圖9所示，各工況失效荷載比較接近，考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)中滑移具有一定的不確定性[16]，因此不能僅考慮試驗(yàn)超載工況7，忽視其他工況在實(shí)際使用過程中超載后也可能出現(xiàn)變形較大而失穩(wěn)的情況。以斷線上拔工況5為例，鐵塔產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，考慮螺栓連接滑移后的非線性變形增加幅度較大，可認(rèn)為主要是由于斜材連接螺栓相對較少，其螺栓連接滑移引起的二階效應(yīng)增大了變形幅度，而變形太大可能引起局部構(gòu)件失效，本次試驗(yàn)中在變形后導(dǎo)線橫擔(dān)掛點(diǎn)隔面螺栓被剪壞也驗(yàn)證了該結(jié)論。典型節(jié)點(diǎn)螺栓破壞如圖11所示，橫擔(dān)掛點(diǎn)隔面螺栓破壞如圖12所示。

圖11 典型節(jié)點(diǎn)螺栓破壞(3，6，10號)

圖12 橫擔(dān)掛點(diǎn)隔面螺栓破壞

3.2 鐵塔應(yīng)力分析

鐵塔應(yīng)力分析選擇了24個典型應(yīng)變測點(diǎn)及其構(gòu)件進(jìn)行分析，見表6。

超載工況7不同荷載比例作用下構(gòu)件應(yīng)力值比較詳見表7，其中滑移模型在128%荷載比例時結(jié)構(gòu)失效。從表7可以看出，兩種有限元模型和試驗(yàn)在同一工況下出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置基本一致。在100%荷載作用下，雖然梁桿模型應(yīng)力在計(jì)算時已考慮了軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的疊加，但是都小于試驗(yàn)值，最大應(yīng)力相對偏差約20%，而滑移模型應(yīng)力相對偏差在±5%以內(nèi)，說明考慮螺栓連接滑移后的模型整體受力更接近于實(shí)際受力情況。

表6 應(yīng)變測點(diǎn)及構(gòu)件信息

表7 超載工況7不同荷載比例應(yīng)力值比較

超載工況7滑移模型中構(gòu)件應(yīng)力圖見圖13。從表7和圖13可以看出，當(dāng)不均勻彎(工況7)超載到120%荷載作用時，測點(diǎn)8，9，10，41的應(yīng)力相比100%荷載作用時增加較多，說明潛在失效點(diǎn)主要集中在變坡下塔身和塔腿主材處。當(dāng)加載到128%失效荷載時，滑移模型計(jì)算值雖然比試驗(yàn)值稍小，但失效點(diǎn)和120%荷載作用時仍是相同的，同時局部位置發(fā)生內(nèi)力重分布，應(yīng)力值變化幅度較大，比如測點(diǎn)1，32，39，其應(yīng)力增加幅度分別為2.6，7.6倍和1.4倍。這些位置構(gòu)件連接雖然存在一定偏心，根據(jù)文獻(xiàn)[9]分析可知，連接偏心和連接剛度對桿件內(nèi)力影響不大，顯然這種差異就是由螺栓連接滑移影響造成的。

圖13 超載工況7滑移模型中構(gòu)件應(yīng)力圖/Pa

4 結(jié)論

(1)對于特高壓直流重冰區(qū)輸電鐵塔，結(jié)合非線性彈簧單元和梁桿單元的滑移模型計(jì)算得到的荷載-位移曲線和受力結(jié)果均與試驗(yàn)值比較吻合，而傳統(tǒng)梁桿單元模型結(jié)果均小于試驗(yàn)值，且誤差較大。

(2)此類鐵塔在部分工況作用下螺栓連接滑移的影響會加大鐵塔的變形并加快塔架的破壞，對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足承載力要求但剛度偏小的鐵塔應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

(3)在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時，部分構(gòu)件的計(jì)算長度仍按照未變形原始狀態(tài)計(jì)算在一定程度上不再適用，建議扭轉(zhuǎn)工況等變形較大工況采用二階效應(yīng)彈性分析或者直接分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)對于此類鐵塔在工程設(shè)計(jì)時，建議采用螺栓連接滑移模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并針對部分工況應(yīng)通過增加螺栓連接個數(shù)、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接方式等提高整體或局部剛度的構(gòu)造措施來減小螺栓連接滑移引起的大變形。