輸電鐵塔幾何非線性影響的初步分析

徐湛清 魏 鵬 王學(xué)明 沈巍巍

（1.陜西地方電力集團(tuán)公司商南縣供電分公司，陜西 商洛726300；2.西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安710065）

0 引言

隨著輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高，鐵塔的負(fù)荷和規(guī)模進(jìn)一步增大，結(jié)構(gòu)變形特別是水平位移引起的二階效應(yīng)［1］的影響增大，這也引起工程設(shè)計(jì)人員對(duì)輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的幾何非線性影響的關(guān)注。導(dǎo)致鐵塔幾何非線性的原因主要有2種：

（1）荷載的作用；

（2）結(jié)構(gòu)組成單元的位置變化。塔體在水平荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大位移，作用于鐵塔上的導(dǎo)地線垂直荷載由于偏心，會(huì)使初始計(jì)算模型的幾何相對(duì)位置發(fā)生改變，塔體因此產(chǎn)生的附加彎矩會(huì)使桿件內(nèi)力增大。本文依據(jù)真型鐵塔試驗(yàn)，利用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)幾何非線性對(duì)輸電鐵塔主要受力桿件的內(nèi)力影響進(jìn)行初步的分析研究。

1 分析模型

1.1 計(jì)算方法

本文通過3種計(jì)算軟件，即TTA、TOWER［2］和 ANSYS 進(jìn) 行 建模，分別計(jì)算出輸電鐵塔中主要桿件的內(nèi)力。TTA程序用于線性空間桁架自立式鐵塔結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)，通過分析—選材—再分析—再選材的自動(dòng)迭代循環(huán)過程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。程序沒有大位移、非線性功能，模型中桿件均為二力桿單元。美國TOWER程序用于不同類型輸電結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，單元庫中包含桿單元、梁單元以及索單元等，程序可以進(jìn)行幾何非線性分析，但因其自帶梁單元的局限性，程序的非線性功能相對(duì)較弱。ANSYS為大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，具有強(qiáng)大的單元庫，可進(jìn)行大變形、非線性（幾何、材料）分析。

1.2 建模

本文以西北電力設(shè)計(jì)院750kV蘭平乾JGU1鐵塔為典型算例。JGU1為雙回路750kV轉(zhuǎn)角塔，本體高24m，接腿為18m，設(shè)計(jì)水平檔距300m，垂直檔距600m，設(shè)計(jì)覆冰10mm，設(shè)計(jì)最大風(fēng)速30m／s。

具體計(jì)算時(shí)，TTA程序全部采用二力桿單元。TOWER采用梁、桿2種單元混合建模，主材采用梁單元，斜材以及輔材采用桿單元。ANSYS模型采用BEAM189單元、LINK8單元建模，主材以及交叉斜材采用梁單元，輔材采用桿單元。

邊界約束條件為：約束4個(gè)塔腳的平動(dòng)自由度（UX、UY、UZ），釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（RotX、RotY、RotZ）。

TTA和TOWER程序中采用自重增大系數(shù)來考慮模型中節(jié)點(diǎn)板以及螺栓等的自重影響。而ANSYS程序中無法設(shè)置自重增大系數(shù)，本文采用增大模型質(zhì)量的方法來解決這一問題。分析模型如圖1所示。

圖1 鐵塔分析模型圖

1.3 加載

分析工況選取正常運(yùn)行、安裝及事故斷線等6種主要工況，具體如下：

工況1：斷后側(cè)右上、中導(dǎo)線。

工況2：斷后側(cè)左下、右下導(dǎo)線。

工況3：瞬掛右地線。

工況4：瞬掛前下右導(dǎo)線。

工況5：瞬掛前下左導(dǎo)線，右前掛好。

工況6：大風(fēng)90°，最大垂直檔距。

本文采用在模型節(jié)點(diǎn)上加荷載進(jìn)行靜力分析。TOWER和ANSYS軟件計(jì)算時(shí)考慮幾何非線性。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 變形

本文選取在上述6種工況作用下的3個(gè)方向（X、Y、Z）最大位移列表顯示。從表1數(shù)值中可以看出，由于TTA程序全部采用二力桿單元，因此模型整體剛度相對(duì)較弱，位移最大；而TOWER軟件采用梁桿混合體系建模，剛度相對(duì)TTA較大，因此塔頭位移稍小；ANSYS軟件采用梁桿混合體系建模，且模型中梁單元較多，模型整體剛度最大，因此受力產(chǎn)生的變形最小。將模型中由TTA計(jì)算出的位移與試驗(yàn)所測(cè)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，Y方向（縱向）實(shí)測(cè)位移較計(jì)算值增大54%，這是由于程序計(jì)算值未考慮螺栓滑移等因素的影響。鐵塔受力變形如圖2所示，為便于區(qū)分，顯示時(shí)比例進(jìn)行了放大。

表1 最大位移對(duì)比

圖2 輸電鐵塔變形圖

2.2 桿件內(nèi)力

本文根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變提取桿件內(nèi)力，主要關(guān)注的位置分別為：上橫擔(dān)主材、塔身主材、中橫擔(dān)下平面主材、下橫擔(dān)隔面下方倒K桿件、塔腿主材以及塔腿上方隔面橫材。

TTA程序以及TOWER提取桿件軸力，ANSYS模型提取對(duì)應(yīng)桿件軸力和彎矩，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)值可以得出，TOWER和ANSYS軟件中主材等用梁單元?jiǎng)澐郑紤]了幾何非線性的影響，P－Δ效應(yīng)產(chǎn)生的附加彎矩引起應(yīng)力增大，導(dǎo)致塔身主材內(nèi)力增加。桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)合《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［3］和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］進(jìn)行。

表2 計(jì)算軸力結(jié)果對(duì)比

本文在塔身以及塔腿主材上分別提取一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較。塔身選取表2中第7行數(shù)據(jù)。該處TTA計(jì)算軸力為2565kN，而考慮了幾何非線性之后，ANSYS分析結(jié)果為2767kN，軸力增大了7.88%。此塔身處實(shí)測(cè)軸力值為2799kN，相比TTA 與ANSYS計(jì)算值分別增大9.12%和1.16%。塔腿位置TTA軸力計(jì)算值為2972kN，ANSYS計(jì)算結(jié)果為3220kN，試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值為3483kN，實(shí)測(cè)值比TTA、ANSYS計(jì)算值分別增大17%和8%。從上述數(shù)值對(duì)比可以得出，考慮了幾何非線性之后計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)值吻合得更好。

3 結(jié)論

本文對(duì)真型試驗(yàn)塔進(jìn)行幾何非線性分析，通過線性桿單元分析軟件（TTA）、具有部分幾何非線性分析功能的軟件（TOWER）以及完全非線性分析軟件（ANSYS）對(duì)同一個(gè)試驗(yàn)塔進(jìn)行分析計(jì)算，整理出主要工況下鐵塔主要桿件的位移和內(nèi)力數(shù)值，并與試驗(yàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果初步表明，隨著輸電鐵塔負(fù)荷和規(guī)模的增大，幾何非線性對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響顯著，P－Δ效應(yīng)產(chǎn)生彎矩引起的附加應(yīng)力使得塔身主材的內(nèi)力增大。但目前國內(nèi)在常規(guī)線路鐵塔設(shè)計(jì)中并未考慮幾何非線性的影響，根據(jù)本文的初步分析結(jié)果，建議在具體工程中采用TTA軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將塔身主材（主要是瓶口以下）的裕度適當(dāng)增大。另外，在后續(xù)工作中，我們將對(duì)負(fù)荷和規(guī)模更大的鐵塔（百萬及百萬雙回鐵塔）繼續(xù)進(jìn)行類似的研究，深入探討非線性對(duì)輸電鐵塔桿件內(nèi)力的影響。

［1］陳祥和，田啟華.輸電桿塔設(shè)計(jì)［M］.中國三峽出版社，2000

［2］西北電力設(shè)計(jì)院.美國鐵塔分析計(jì)算程序TOWER中文操作手冊(cè)［K］，2005

［3］DL／T5154—2002 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］

［4］GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］