基于有限元求解的輸電塔上下柱節點分析研究

陳 振，劉俊豪

（1.廣東保利城市發展有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣州市設計院，廣東 廣州 510000）

國內外的變電站構架大多以型鋼為主材。圓形鋼管的力學性能優異且經濟性良好，故由多個支管組成的圓鋼管空間節點便成為變電站構架中最普遍的節點形式。但變電站構架中的節點構造與受力均較復雜，必須通過試驗或有限元進行受力分析。

目前已有較多學者對鋼管節點的受力性能進行了數值分析。例如，有采用屈服線模型對鋼管節點的極限承載力進行了簡化理論分析，計算獲得的結果與試驗結果吻合良好。有對輸電塔十字插板連接節點強度進行分析，驗證了十字插板連接節點受力性能良好，但主管管壁與節點板及頂部環向肋板交匯處應力集中現象明顯。有對鋼管輸電塔環型加肋節點極限承載力進行了研究，發現除主管壁厚、管徑、節點板長度、現時狀態下屈服區域內中截面特征點撓度外，鋼管環型加肋節點的承載力還受其他因素的影響，包括環型加肋板的高度、厚度以及節點板連接的單雙側，這主要是因為環型加肋板使節點的承載力有所提高，并且減少了鋼管與節點板和環板連接處的應力集中現象。

復雜節點的力學性能與整體結構的承載力息息相關，但是實際工程設計中往往僅基于計算假定進行結構整體分析及構件強度計算，未對具體節點進行相對深入的分析研究。此外，對于復雜節點的受力分析，沒有恒定的構造與計算模塊，每個節點研究的構造與方法都不同。因此，本文對某變電站構架節點進行有限元數值模擬，以探究并分析節點的受力性能。

1 節點概況

1.1 節點形式

本文選取某變電站構架的角部輸電塔上下柱變截面處節點進行分析，該節點由鋼管外節點板、豎向加勁肋、鋼管內肋板等組成，其構造形式較為復雜。該節點與兩個方向的三角形桁架相連，存在上柱與桁架傳遞過來的荷載，受力較為復雜。該節點的構造如圖1所示。節點板和加勁肋采用Q235B鋼材，管件的規格如表1所示。

圖1 節點設計圖Fig.1 Node design diagram

表1 管件規格Tab.1 Specification of pipe fittings

1.2 節點荷載

節點所在的構架處在整個構筑物的角上，節點承接互成90°的桁架傳來的荷載，如圖2所示。

圖2 節點荷載Fig.2 Node load

2 節點有限元受力分析

2.1 節點有限元模型的假設

節點結構主要通過焊接的方式連接組成，無相對運動的零部件，因此，本文將基于以下3點假設來建立節點的有限元模型：

（1）結構構件的焊接完全可靠，結構構件間已全部焊透，不存在焊接殘余應力，在分析時可忽略焊腳高度對結構的影響；

（2）忽略支座結構中任何安裝和制造變形，僅依據圖紙的理想結構來建模；

（3）鋼板與鋼管壁厚遠遠小于其它方向的尺度，可不考慮沿厚度方向的應力。

2.2 單元類型與約束條件

由于此節點構造復雜，模型尺寸較大，同時保證關鍵部位計算的精確度，根據殼單元的特性，在建立幾何模型時，可采用其中性面建立。在這里，采用了ANSYS軟件中的殼單元SHELL181，該單元有4個節點數，每個節點有6個自由度。由于結構的不規則性較多，劃分網格時優先采用映射網格劃分，共劃分了殼單元18 706個，節點18 488個，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

考慮本項目中上下柱相交處節點有較大荷載，且節點處的應力分布是研究的重點。由于選用輸電塔中的節點，節點下部可模擬為固接邊界條件，故在下柱遠離節點處設置為固定約束。

2.3 有限元計算結果

通過ABAQUS軟件后處理模塊，采用大型通用CAE軟件ANSYSWorkbench網格結構進行了分析計算，其計算結果如下，其中坐標系如圖3所示。可得到節點變形、應力云圖、位移等結果。

2.3.1 變形結果

在設計荷載作用下，節點總變形分布如圖4所示，最大變形發生在在節點底板短直邊下的加勁肋處，總位移與各方向最大的位移如表2所示。

圖4 總變形分布圖Fig.4 Total deformation distribution

表2 各方向最大位移值Tab.2 Maximum displacement in all directions

2.3.2 應力結果

（1）下柱的應力分布云圖。如圖5所示為下柱處的Mises應力等值線分布云圖，其中最大應力位于加勁肋的下部加強環處，其值為149 MPa；

圖5 下柱的應力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of the lower column

（2）支座底板的應力分布云圖。如圖6所示為支座底板處的Mises應力等值線分布云圖，其中最大應力位于加勁肋的下部加強環處，其值為49.3 MPa；

圖6 支座底板的應力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of stress distribution of support base plate

（3）加勁肋的應力分布云圖。如圖7所示為加勁肋的Mises應力等值線分布云圖，其中最大應力位于底邊短直邊下的加勁肋處，其值為70.6 MPa。

圖7 加勁肋的應力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of stiffeners

（4）上柱的應力分布云圖。如圖8所示為上柱的Mises應力等值線分布云圖，其中最大應力位于底邊短直邊下的加勁肋處，其值為3.2 MPa。

圖8 上柱的應力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of stress distribution of the upper column

整個節點的應力最大值在下柱，其應力分布云圖如圖所示，最大應力位于加勁肋的下部加強環處，其值為149 MPa。

3 結語

本文以輸電鐵塔鋼節點作為研究對象，因節點構造復雜，不易使用常規受力分析，因此采用ANSYS軟件對其進行有限元分析受力分析。

其中，采用殼單元SHELL181進行網格劃分，最終計算得到節點不同方向的各自的變形和節點總的變形以及節點最大應力的所在處，可得以下結論：

（1）結構構造合理。通過分析可知節點在設計荷載下，各區域應力未超過節點材料的屈服強度，整體應力水平較低，且節點區并未出現較大的變形；

（2）最大應力發生支座底板下的加勁肋下部的加強環與下柱相交處，建議此加強環加大，延伸至下部兩柱間的節點板處，以保證節點的安全可靠性。