Z3型貓頭塔動力特性分析

(廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 510006)

輸電鐵塔作為一種重要的電力設施，被廣泛的應用于實際生活中。與此同時，人們生活中也越來越離不開電，穩定的電力供應變得愈發重要。然而，因社會經濟快速發展而對既有輸電線路的擴容改造及自然災害的發生而導致的輸電塔倒塌事故時有發生，影響了人們的正常生活也造成了巨大經濟損失。輸電塔的動力特性對其倒塌模式有著重要的影響，因此，輸電塔的動力特性研究對確保輸電塔穩定可靠的運行有著重要的社會、經濟意義。本文選取廣東某地區Z3型貓頭塔為研究對象，借助通用有限元軟件ANSYS進行分析。

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造成模型的整體剛度偏小，這是因為輸電塔角鋼之間不是完全鉸接而是半剛性連接，采用桁架模型與實際情況不符合。此外，采用桁架模型可能會因為“平面節點”而導致模型不能進行靜力計算。

選用輸電塔剛架模型會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際情況不符合。同時，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輸電塔模型約束偏大且次腹桿的剛度和對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是一個二節點的三維線性梁單元，每個節點上有6或7個自由度，分別是沿x、y、z方向的位移及繞其的轉動。必要時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。能夠很好的應用于線性分析、大偏轉，大應力的非線性分析。

LINK8單元是一個二節點的三維線性桿單元，每個節點有3個自由度，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、應力剛化、大變形、大應變等功能。LINK8單元能夠應用于模擬桁架、垂纜、連桿、彈簧等。

(三)平面節點

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

處理“平面節點”常用方法有兩種：第一種方法是對平面節點施加面外約束，控制其面外變形；第二種方法是刪除平面節點，建模中對部分角鋼的連接進行簡化，例如，使用桿單元創建輸電塔斜材時，斜材間的“交叉點”處不創建節點，即兩根斜材間不通過節點來連接。

(四)建模方法

利用ANSYS建立輸電塔模型有兩種方法：實體建模及直接法建模。直接法建模就是通過創建節點，并在節點之間直接生成單元的一種有限元模型建立方法，通常適用于簡單和小型模型。對于規模較大、空間構造復雜的結構，直接法建模的工作量較大，不建議使用。

實體建模就是通過描述所分析結構的幾何邊界來創建實體模型，并在實體模型的基礎上進行單元屬性分配，網格劃分水平設置，然后進行網格劃分，ANSYS會自動生成全部節點及單元。實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建關鍵點，然后利用關鍵點定義線、面、體；自頂向下建模就是直接利用高級別的對象建立實體模型。

考慮到輸電塔模型角鋼擺放的差異對結構整體力學性能的影響及采用直接法建模無法對角鋼擺放進行設置，本文采用自底向上的實體建模方法，嚴格按照輸電塔設計圖紙創建關鍵點，在關鍵點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。通過梁單元的i節點和j節點之間的連線方向以及關鍵點Z的方位來確定角鋼的擺放，依據“右手定則”可以很便捷的完成角鋼擺放的設置。建模完成后，輸電塔正視圖和角鋼擺放細部圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 輸電塔正視圖

圖2 角鋼擺放細部圖

二、輸電塔模態分析

模態分析用于確定設計結構或構件的振動特性，即結構的固定頻率及振型，它們是承受動荷載結構設計的重要參數。本文用模態分析的結果來指導模型的修正，使有限元分析模型更加趨近于實際狀態。模態分析是一種線性分析，非線性特征在分析過程中會被忽略。模態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行分析。約束塔腿處四個節點全部自由度，提取前六階模態，由模態分析可得到輸電塔前六階振動頻率，根據自振周期與頻率的倒數關系，可以計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，第一階模態為Z方向平動振型；第二階模態為X方向平動振型；第三階模態為整體扭轉振型；第四階模態為Z方向二階平動加局部振型；第五階模態為X方向二階平動振型；第六階模態為局部振型。輸電塔局部振型出現的較晚，結構整體性良好。

三、小節

本文以Z3型貓頭塔為例，對輸電塔建模過程中模型類型、單元選擇、平面節點、建模方法等進行了探討。通過對輸電塔進行模態分析研究了自振頻率、周期和振型等動力特性，為該型輸電塔的設計、運行、維護、改造等提供了參考意義。

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