風(fēng)載作用下材料參數(shù)對電纜終端桿塔力學(xué)特性的影響

蔡冰冰，韓承永，盛金馬，朱曉峰，葛宜俊，楊進(jìn)，劉爽，汪亦顯

（1.安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230031；2.安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230041；3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

我國東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但能源匱乏且用電負(fù)荷相對集中，造成了能源資源與電力電荷分布不均勻的現(xiàn)狀，隨著西部地區(qū)的能源開發(fā)與輸送能力的發(fā)展，極大程度地推進(jìn)了西電東送工程的落實(shí)與發(fā)展[1]。高壓輸電工程關(guān)系到社會(huì)生存發(fā)展的大計(jì)，城市輸電線路中電力電纜與架空線相連接，構(gòu)成了城市電網(wǎng)中的“電纜-架空線”混合線路，其中電纜終端桿塔就承擔(dān)著城市架空線路向電纜轉(zhuǎn)化的作用。電纜終端桿塔屬于高聳建筑物，因此，所處的環(huán)境風(fēng)載荷比較大，終端桿塔又屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，對桿塔的構(gòu)造強(qiáng)度與穩(wěn)定性有著較高的要求[2]。

基于此，國內(nèi)外學(xué)者完成了很多關(guān)于輸電桿塔在風(fēng)載荷下的穩(wěn)定性與可靠度研究。張博[3]通過對不同風(fēng)荷載條件下輸電桿塔的應(yīng)力分布特征進(jìn)行有限元分析，研究了相應(yīng)風(fēng)荷載條件下輸電桿塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。劉慕廣[4]利用風(fēng)洞試驗(yàn)與荷載響應(yīng)相關(guān)法對桿塔進(jìn)行等效對比分析，結(jié)果表明，建立的基于氣彈模型位移響應(yīng)來識別輸電塔結(jié)構(gòu)等效靜風(fēng)荷載的試驗(yàn)分析方法合理、有效。竇漢嶺[5]采用諧波合成法在Matlab 中模擬出風(fēng)荷載，通過Newmark法對轉(zhuǎn)角輸電塔線體系的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析，研究得出桿塔的風(fēng)振特性。侯景鵬[6]運(yùn)用有限元軟件分析輸電塔在靜力風(fēng)荷載下的非線性穩(wěn)定性及各級動(dòng)力風(fēng)荷載下的瞬態(tài)變化，采用B-R 準(zhǔn)則和位移相等準(zhǔn)則判斷動(dòng)態(tài)失穩(wěn)并以理論驗(yàn)證，結(jié)果表明，脈動(dòng)風(fēng)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大。杜偉[7]采用有限元法對各種加固方案進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算和局部穩(wěn)定性分析，并給出了加固桿件的設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)連接方式的構(gòu)造措施。張琳琳[8]應(yīng)用概率密度演化方法對某輸電塔結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力可靠度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，概率密度演化方法可以準(zhǔn)確、有效地分析風(fēng)荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力可靠度。

通過分析電纜終端桿塔的構(gòu)造與材料參數(shù)，在有限元軟件中進(jìn)行終端桿塔桿件材料參數(shù)的定義，考慮終端桿塔在自重與靜力風(fēng)荷載共同作用下的受力情況，通過有限元分析結(jié)果研究得出桿塔反映出的力學(xué)特性，并通過分析結(jié)果找出終端桿塔在風(fēng)載作用下的薄弱部位，最終得到電纜終端桿塔桿件材料參數(shù)與桿塔自身抵抗風(fēng)載的強(qiáng)度與穩(wěn)定性的關(guān)系。

2 桿塔有限元模型的建立

2.1 桿塔模型簡介

電纜終端桿塔是將架空線與電力電纜相連接的塔形結(jié)構(gòu)，按照電纜終端布置形式的不同，將電纜終端塔分成電纜終端站（電纜終端塔有電纜終端頭安裝在地面立柱上）、承臺(tái)式?jīng)_油電纜終端（電纜終端頭安裝在塔身電纜終端承臺(tái)上）和戶外干式柔性終端（電纜終端頭安裝在塔頭橫擔(dān)處）三種主要形式。電纜終端桿塔較耐張型輸電桿塔以及轉(zhuǎn)角型輸電桿塔而言，具有承擔(dān)不平衡張力等更為嚴(yán)苛的受力條件。根據(jù)常見形式的電纜終端桿塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不考慮導(dǎo)線對終端桿塔的荷載作用，單獨(dú)選取其相同的主體塔身等部位作為有限元分析對象。

2.2 桿塔的有限元單元與邊界條件

一般而言，電纜終端塔通常都是由角鋼組合而成的桿件，通過螺栓以及連接板組成的連接點(diǎn)相互連接構(gòu)成。通過對模型進(jìn)行簡化，以達(dá)到加快結(jié)果收斂速度進(jìn)而提高計(jì)算精度的目標(biāo)。在模型邊界條件方面，約束終端桿塔四個(gè)塔腳的所有位移，使之與大地剛接。為了使螺栓與連接板組成的連接點(diǎn)具有傳遞彎矩的作用，將其簡化為剛節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)單元建立方面，將終端桿塔的桿件簡化為梁單元進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖1所示。

圖1 終端桿塔有限元模型

本文案例采取的電纜終端桿塔塔高41.5m，且終端桿塔的桿件材料參數(shù)分別從其截面與材料特性兩方面進(jìn)行研究，分別對終端桿塔的主材、斜材和輔材給予不同的角鋼截面面積與材料參數(shù)，形成對應(yīng)的模擬工況，如表1所示。

終端桿塔材料參數(shù)工況表 表1

3 終端桿塔自重與風(fēng)荷載的計(jì)算及加載

終端桿塔所承受的荷載可分為桿塔自重產(chǎn)生的垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載。本文采取Midas/Civil軟件對電纜終端桿塔進(jìn)行力學(xué)特性分析，由于軟件能根據(jù)所確定的單元參數(shù)自動(dòng)對桿塔模型進(jìn)行自重計(jì)算，因此只需要確定構(gòu)成模型中桿件的截面特性與材料參數(shù)。由《架空送電線路鋼管桿設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》與《輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)》可知，風(fēng)荷載隨著構(gòu)造物的高度不同，相應(yīng)風(fēng)速也會(huì)不同，所以桿塔在每個(gè)高度處所產(chǎn)生的水平荷載也會(huì)不同[9]。電纜終端桿塔布置在輸電線路中需要由架空線路轉(zhuǎn)下接電纜敷設(shè)的各個(gè)地區(qū)與環(huán)境中，因此終端桿塔會(huì)由當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境影響，承受著不同角度以及不同風(fēng)速的風(fēng)荷載的作用。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，根據(jù)每個(gè)地區(qū)都有對應(yīng)的風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值，再依據(jù)相應(yīng)規(guī)范中的風(fēng)荷載計(jì)算公式將其轉(zhuǎn)化為集中力，最后對終端桿塔塔材節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)力的施加。

電纜終端桿塔自重荷載以及風(fēng)荷載的計(jì)算公式均采用上述規(guī)范與文本。因此，終端桿塔重力荷載按照軟件自帶的計(jì)算功能，在每個(gè)單元施加。風(fēng)荷載簡化為集中力，均勻分布至主材迎風(fēng)面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上[10]，如圖2所示。

圖2 終端桿塔風(fēng)荷載施加方式

4 自重與風(fēng)荷載作用下桿塔的模擬

考慮材料參數(shù)對桿塔自身的重力荷載產(chǎn)生的影響，對相應(yīng)工況的終端桿塔施加不同攻風(fēng)角與風(fēng)速的靜態(tài)風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬分析。終端桿塔需要在不同攻風(fēng)角的風(fēng)荷載作用下，保持桿塔自身的穩(wěn)定性，更要保證桿塔在承受不同條件風(fēng)荷載的同時(shí)而不被破壞[11～12]。模擬施加的風(fēng)荷載采用20m/s 的風(fēng)速，攻風(fēng)角采取0°與90°兩種不同角度。利用規(guī)范要求中的風(fēng)載計(jì)算規(guī)定，將風(fēng)速換算成節(jié)點(diǎn)荷載施加在桿塔模型上，得出不同材料參數(shù)的電纜終端桿塔在風(fēng)載下的應(yīng)力及位移。

圖3是工況1條件下，在攻風(fēng)角分別為0°、90°時(shí)的應(yīng)力變形云圖，根據(jù)桿件單元局部位移結(jié)果可知，兩種攻風(fēng)角風(fēng)載下最大應(yīng)力變形均出現(xiàn)在桿塔背風(fēng)處的塔腿主材，此處塔腿主材桿件受到風(fēng)荷載與重力共同作用出現(xiàn)受壓狀態(tài)。此外，兩種攻風(fēng)角情況下，塔腿迎風(fēng)處以及背風(fēng)處最下端連接兩根塔腿主材的橫材，均出現(xiàn)較大的位移，二者位移方向均偏向桿塔中軸線，說明風(fēng)荷載作用下，此處是桿塔薄弱點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)注意對桿塔此處的加固。

圖3 與圖4 表示工況1 至 工況5 條件下，在攻風(fēng)角為0°情況下的總應(yīng)力變形云圖，由圖可以看出，所有工況在風(fēng)載作用下，桿件發(fā)生受壓的最大應(yīng)力均大于受拉時(shí)的最大應(yīng)力，相同風(fēng)荷載作用下，桿塔最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況4 的90°攻風(fēng)角風(fēng)載條件下，其值為63.21MPa，桿塔最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在工況3 的90°攻風(fēng)角風(fēng)載條件下，其值為123.22MPa。此外，相同風(fēng)速情況下攻風(fēng)角為0°時(shí)，桿塔的最大應(yīng)力及位移均小于90°攻風(fēng)角時(shí)桿塔的最大應(yīng)力及位移，由于在施加風(fēng)荷載時(shí)0°攻風(fēng)角條件的迎風(fēng)面風(fēng)載施加節(jié)點(diǎn)數(shù)要少于90°攻風(fēng)角條件時(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，導(dǎo)致在相同風(fēng)速下桿塔受力大小出現(xiàn)差異，這也是導(dǎo)致前者對桿塔產(chǎn)生的應(yīng)力與位移普遍小于后者的重要原因。

圖3 兩種攻風(fēng)角下工況一的桿塔應(yīng)力變形云圖

圖4 攻風(fēng)角為0°時(shí)各工況的桿塔應(yīng)力變形云圖

桿塔在各工況條件下的最大位移均出現(xiàn)在電纜終端桿塔的塔頂部位，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在桿塔的下部塔腿處，電纜終端桿塔的這兩處均是桿塔在受到風(fēng)載作用下最容易受到破壞的部位。此外，在塔身下橫擔(dān)與塔腿主材相連的坡面過渡處也出現(xiàn)相對較大的應(yīng)力變形與位移。因此，在桿塔設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)當(dāng)注意對上述部位的加固處理，終端桿塔在檢修時(shí)也應(yīng)當(dāng)著重注意這些部位的桿件質(zhì)量檢查。

由表1 與表2 可知，工況1 與工況2反映了桿塔主材材料對桿塔在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的影響，從桿塔應(yīng)力與位移結(jié)果可以看出，主材材料特性對桿塔在風(fēng)載下所起到的影響較??；工況1與工況3反映了桿塔主材截面面積對桿塔在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的影響，且在主材所用桿件的截面積相對減小后，其中在90°攻風(fēng)角的風(fēng)載條件下工況3 桿塔的應(yīng)力與位移在所有工況中是最大的，其中最大應(yīng)力值 為123.22MPa，最 大 位 移 值 為63.74mm，可以看出主材截面是影響桿塔在風(fēng)載作用下產(chǎn)生變形與位移的重要因素，在桿塔設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)當(dāng)著重對主材截面的最優(yōu)化選擇。

各工況下終端桿塔的最大應(yīng)力與位移 表2

工況2 與工況4 反映了斜材以及橫材截面對桿塔產(chǎn)生的影響，可以看出兩工況中的斜材以及橫材截面特性對桿塔造成的力學(xué)特性相比，后者在相同風(fēng)荷載的作用下造成的應(yīng)力變形與位移也越大，因此，斜材以及橫材截面積的選擇對加強(qiáng)桿塔抵抗風(fēng)載的強(qiáng)度也起到了重要作用。工況2 與工況5 反映了桿塔斜材以及橫材材料特性對桿塔產(chǎn)生的影響，在0°攻風(fēng)角下桿塔產(chǎn)生的位移前后則相差2%，而90°攻風(fēng)角下桿塔產(chǎn)生的位移前后則相差0.6%，從結(jié)果來看兩工況桿塔在風(fēng)載下產(chǎn)生位移幾乎無差別。此外，在工況5 的0°攻風(fēng)角條件下出現(xiàn)了最小應(yīng)力與最小位移，其中最小應(yīng)力其值 為93.85MPa，最 小 位 移 其 值 為43.48mm，值得注意的是其余工況1 以及工況2 結(jié)果相比，三者的應(yīng)力與位移數(shù)值十分接近。

5 結(jié)論

本文通過運(yùn)用Midas/Civil軟件對電纜終端桿塔進(jìn)行模擬計(jì)算，通過建立不同工況下桿塔的有限元模型，分別對各工況條件下的桿塔進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。通過分析對比桿塔風(fēng)荷載模擬下的應(yīng)力云圖與位移云圖，得出以下結(jié)論。

①電纜終端桿塔在風(fēng)荷載下出現(xiàn)的最大受壓應(yīng)力大于最大受拉應(yīng)力；

②相同風(fēng)速情況下攻風(fēng)角為0°時(shí)終端桿塔的最大應(yīng)力及位移均小于90°攻風(fēng)角時(shí)，終端桿塔的最大應(yīng)力及位移主要是90°攻風(fēng)角時(shí)，施加的節(jié)點(diǎn)荷載較0°攻風(fēng)角條件時(shí)更多，即終端桿塔的風(fēng)載受力面更大；

③電纜終端桿塔在各工況條件下的最大位移均出現(xiàn)在電纜終端桿塔的塔頂部位，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在桿塔的下部塔腿處，其次在塔身下橫擔(dān)與塔腿主材相連的坡面過渡處，也出現(xiàn)相對較大的應(yīng)力變形與位移，桿塔設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)當(dāng)注意對上述部位的加固處理；

④主材以及斜材（橫材）截面特性改變會(huì)影響桿塔在風(fēng)載下的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，主材以及斜材（橫材）的材料特性變化對桿塔抵抗風(fēng)載的強(qiáng)度及穩(wěn)定性影響效果不明顯；

⑤相同風(fēng)荷載條件下，當(dāng)終端桿塔的主材截面特性從工況1 降低到工況3時(shí)，桿塔出現(xiàn)了工況中的最大應(yīng)力與位移，其中最大應(yīng)力值為123.22MPa，最大位移值為63.74mm，設(shè)計(jì)施工時(shí)需要注意主材截面的最優(yōu)化選擇。