基于ABAQUS的山地輸電塔結構模型試驗與優化設計

張天成，張翔，石梓鈺，張謙碩，王迅周

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

山地輸電塔由于所處環境地形復雜，承受包括風荷載、自重、縱向導線張力等多種荷載作用其安全性和可靠性長期以來受到廣泛學者和設計人員的關注。第十三屆大學生結構設計競賽即是以此為背景要求設計并制作輸電塔模型，并通過三級加載,來模擬山地輸電塔在多種荷載作用下可能發生的損傷甚至結構整體的倒塌破壞[1]。

本文從賽題出發并結合參加競賽獲得的經驗，以力學分析為指導。在模型制作、方案演化、理論分析等方面進行全方位的闡述,為結構模型設計大賽提供參考,同時也為相關實際工程提供借鑒。

1 設計要求與加載方法

1.1 設計要求

模型要求設計并制作一個山地輸電塔模型，模型柱腳通過自攻螺絲固定于400×400×15的竹制底板上，模型底面尺寸限制在底板中央250mm×250mm的正方形區域內。

設置低掛點2個、高掛點1個用于施加導線荷載和側向水平荷載，低掛點應為模型最遠懸臂點，距離底板表面高度應在1000mm～1100mm內,其在底板面上的投影應分別位于如圖1所示的上、下扇形圓環陰影區域內；高掛點作為模型的最高點，其距離底板表面高度應在1200mm～1400mm內，其在底板面上的投影距離O點應該小于350mm，如圖1所示。荷載施加分三級，一、二級加載均為掛線荷載，分別在指定導線的加載盤上放置砝碼，三級加載是通過側向加載引導線施加側向水平荷載，相關幾何尺寸要求見圖1。

圖1 山地輸電塔模型幾何尺寸要求

1.2 加載方法

為驗證模型穩定性，按照賽題要求，我們在進行一級、二級、三級加載時按照賽題要求的最大荷載進行加載，導線懸掛示意圖見圖2。

圖2 導線懸掛示意圖

1.2.1 一級加載

一級加載通過放置作用于導線2上的砝碼（導線2與導線5的夾角為165°），間接作用于高掛點，砝碼質量為4.0kg，加載完成停留10s后，讀取3個激光測距儀的凈空示數，若示數均大于規定的凈空限值且無異常，則進入下一階段加載。

1.2.2 二級加載

保持一級荷載，對導線1、導線6上加載盤放置砝碼，砝碼質量為4.0kg。加載完成停留10s后，讀取3個激光測距儀的凈空示數，若示數均大于規定的凈空限值且無異常，則進入下一階段加載。

1.2.3 三級加載

保持一、二級荷載，在模型水平加載點通過“砝碼+引導繩”的方式施加側向水平荷載，荷載大小取10.0kg。加載完成停留10s后，模型結構若不發生整體傾覆、垮塌，及導線墜落、掛鉤脫落等情況，則判定加載成功。

2 截面尺寸與材料性質

2.1 模型的尺寸

模型的尺寸為：模型總寬25mm，翼展70mm，高125mm；模型底座為25mm×25mm的矩形，頂為15mm× 15mm的矩形，每層按比例縮減；

2.2 模型的截面

粘結劑：502膠水；

加載物：質量為4.0kg、10.0kg的砝碼。

模型材料：選用規格為930mm×2mm×2.0（+0.5）mm的集成竹材。竹材規格及參考力學指標見表1。

表1 竹材規格及參考力學指標

3 加載結果及分析

依據賽題，按照加載的最大要求：

對輸電塔左翼尖端（低掛點1）施加方向為X軸偏-Y方向15°，大小為40N的力，即一級加載最大要求；

對輸電塔右翼尖端（低掛點2）施加方向為-X方向，大小為40N的力；對輸電塔最高處尖端（高掛點）施加方向為X軸偏-Y方向15°，大小為40N的力；即二級加載最大要求；

對輸電塔最高處尖端（高掛點）施加方向為-Y方向，大小為100N的力，即三級加載最大要求。

得到模型的應力與應變云圖見下圖3：

圖3 三級荷載作用下模型的應力與應變云圖

知：輸電塔應力最大值為3.15×105Pa，應變最大處為36.94cm。輸電塔應變較大，該模型不具有實際意義，應對其進行優化設計。

4 模型的優化

4.1 結構優化

在輸電塔應變云圖中，宏觀觀測到的輸電塔結構變形是由結構設計不合理造成的；輸電塔桿件的變形（圖中已用不同顏色加以區分）是由外力荷載造成的[2-3]。

故模型的結構優化應注重對于結構設計的優化，對于外力荷載造成的桿件變形，此處不予討論。

由應力、應變云圖：輸電塔塔體因受扭矩影響發生扭轉變形。

對于輸電塔塔尖結構變形較大，考慮到塔尖受力較大，對塔尖輔以三角形結構。

對于輸電塔塔體，由于其底層完全固定，上層受到外力傳遞的荷載作用，尤以扭矩作用效果明顯，輸電塔主題扭轉變形較大，對輸電塔塔體每層輔以四棱錐結構[4-5]。模型實體見圖4。

圖4 模型實體圖

4.2 優化后模型的檢驗

依據賽題，按照賽題加載的最大要求（已在3 加載結果及分析中介紹，此處不再贅述），得到優化后模型的應力與應變云圖如下圖5所示：

圖5 三級荷載作用下不同分析步的模型應變云圖

圖5 三級荷載作用下優化后模型的應力與應變云圖

選取Step6、Step7、Step8、Step9、Step10、Step11（Step1—Step5變形不明顯，此處舍去），以觀察其連續的變形，Step6—Step11應變云圖如下圖6所示：

輸電塔應力最大值為1.13×105Pa，僅為優化前的35.87%；輸電塔應變最大處為2.36cm，僅為優化前的6.39%。經優化后的輸電塔應力、應變比優化前有較大范圍的改善，滿足賽題要求。

5 結論

采用Abaqus對結構模型進行模擬，并根據模擬結果對模型進行優化設計。結果表明，在最大荷載的作用下，經優化后的模型最大位移處位移為2.36cm，滿足賽題要求。這說明，Abaqus的模擬對于模型的結構設計具有重要價值，可以為模型的設計提供受力合理、結構簡潔的方案，以保證模型理論計算完備。其次，對于結構模型而言，模型的制作也是關系模型承載能力的重要因素，尤其是材料節點處的粘結。