山地輸電塔模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算與優(yōu)化

張春偉 魏浩然 吳昊 萬駿良 徐茜

摘要：以第十三屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，根據(jù)賽題設(shè)計(jì)不同的山地輸電塔模型結(jié)構(gòu)方案，闡述模型制作過程，并采用 SAP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算與優(yōu)化，保證結(jié)構(gòu)安全可靠、輕質(zhì)高效。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，為今后類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);山地輸電塔;受力計(jì)算;對(duì)比

1引言

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一項(xiàng)以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，綜合培養(yǎng)大學(xué)生理論知識(shí)水平、創(chuàng)新能力、合作意識(shí)和實(shí)踐能力的賽事，為高等學(xué)校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育起到了積極示范作用[1]。

2賽題簡述

本次競(jìng)賽要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)山地輸電塔結(jié)構(gòu)模型，模型須設(shè)置“低掛點(diǎn)”2個(gè)、“高掛點(diǎn)”1個(gè)用于懸掛導(dǎo)線，“高掛點(diǎn)”同時(shí)作為水平加載點(diǎn)用于施加水平荷載。模型底面大小、高低掛點(diǎn)位置均需滿足賽題規(guī)定的尺寸要求[2]。

模型通過在高低掛點(diǎn)上連接導(dǎo)線并在導(dǎo)線上懸掛加載盤及砝碼的方式進(jìn)行加載。加載共分為三級(jí)，其中一、二級(jí)加載需要分兩步在被選中的三根導(dǎo)線的加載盤中放置砝碼，三級(jí)加載需要在通過側(cè)向加載架的導(dǎo)線末端的加載盤中放置砝碼。模型在加載過程中保持完好，不發(fā)生傾覆、垮塌或過大變形，則視為加載成功[3]。

3結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)賽題以及模型制作所用竹材的力學(xué)性能，選擇“梁-柱”框架體系為主要承載結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力方式與特點(diǎn)，提出以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.1方案一

在本方案中，四根立柱主要承受一級(jí)、三級(jí)荷載引起的彎矩、扭矩和剪力，懸挑桁架承受扭矩。立柱采用“0.35mm+0.5mm”的雙層竹皮，邊長為 10mm×10mm，長度為 1000mm。立柱內(nèi)部斜插入 0.35mm厚的“X”型竹皮用于加固。為提高立柱穩(wěn)定性，在立柱間增設(shè) 3層 3mm×3mm竹條制作的橫梁。上部懸挑設(shè)計(jì)為四棱錐，用竹條連接模型昀高點(diǎn)與懸挑外伸點(diǎn)，提高模型整體性。

3.2方案二

立柱與上部懸挑設(shè)計(jì)方案同方案一，同時(shí)將立柱間橫梁改為 4層，并在模型底部設(shè)置地梁，在橫梁和立柱節(jié)點(diǎn)處添加局部短斜撐。

3.3方案三

立柱設(shè)計(jì)方案同方案一，3層橫梁采用 2mm×2mm竹條，同時(shí)將昀下層橫梁以下的立柱截面適當(dāng)增大，上部懸挑采用 4mm×4mm三棱錐。

4結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在 SAP2000中進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化后，制作實(shí)物模型，并進(jìn)行加載試驗(yàn)。在加載中發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：（1）塔身主體在一級(jí)、二級(jí)荷載下容易扭斷;（2）上部懸挑先于塔身發(fā)生破壞;（3）塔身被拔起。分析可得設(shè)計(jì)方案存在以下問題：塔身主體抗扭轉(zhuǎn)能力不足，懸挑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，塔體與底座連接強(qiáng)度不足。根據(jù)加載結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行以下改進(jìn)。

4.1“X”型柱

將立柱均分為 10段，使用 0.35mm厚竹片隔開，立柱外表面使用 10mm×10mm、0.5mm厚竹皮順時(shí)針連接，內(nèi)表面使用 9mm×9mm、0.35mm厚竹皮逆時(shí)針連接，兩層竹皮呈“回”字型嵌套，并在柱中插入“X”型竹皮，可以提高立柱抗扭能力。

4.2地梁

在模型底部設(shè)置地梁，通過螺絲將地梁與底座連接成整體，增加模型與底座的接觸面積，避免承受偏心荷載時(shí)，模型由于拔力過大而脫離底座。試驗(yàn)表明，設(shè)置地梁可以極大提高模型的抗拔能力。

4.3結(jié)構(gòu)布置

在加載中發(fā)現(xiàn)，模型局部構(gòu)件受力過于集中，部分構(gòu)件未充分發(fā)揮材料的承載能力。考慮到竹材順紋方向的抗拉能力遠(yuǎn)強(qiáng)于抗壓能力，根據(jù)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)方向，將柱間斜撐均沿受拉方向布置。同時(shí)，通過布置局部橫支撐與斜支撐，減小立柱的計(jì)算長度，提高其整體穩(wěn)定性。

5最終設(shè)計(jì)方案

根據(jù)加載試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路，確定昀終的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

使用“0.5mm+0.35mm”的復(fù)合竹皮呈“回”字型嵌套的方式制作邊長為 10mm×10mm，長度為 1000mm的立柱，將立柱均分為 10段，使用0.35mm厚竹片隔開，并在柱中插入 0.35mm厚“X”型竹皮以提高抗扭能力。柱間橫梁和斜撐使用 3mm×3mm竹條制作，其中橫梁沿立柱高度方向每隔 250mm布置一層。

塔身上部使用 3mm×3mm竹條搭設(shè)正四棱錐，使模型昀高點(diǎn)達(dá)到賽題規(guī)定高度。模型底部設(shè)置地梁，通過螺絲與底座連接。

使用 SAP2000軟件電算和實(shí)物模型加載，對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，模型各構(gòu)件承載力均滿足要求，在昀不利工況下昀大構(gòu)件應(yīng)力比（立柱）為 0.882，模型整體位移滿足賽題要求。

參考文獻(xiàn)

[1]馬肖彤，李總，楊金賢，巴音善.第十一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（45）：216-219.

[2]李長志.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽輸電塔模型優(yōu)化[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（15）： 262+265.

[3]閆鉑，李英俊.大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].山西建筑，2019，45（03）：241-242.

作者簡介：張春偉，助教，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程方向的教學(xué)和科研工作。