長塔腿整體穩(wěn)定分析

1、 長塔腿整體穩(wěn)定分析鄭勇1；肖洪偉1；楊利容2；王周勝2（1、中國電力工程顧問集團西南電力設計院，四川成都 610021；2、西華大學建筑與土木工程學院, 四川成都 610039）摘要：本文利用ANSYS軟件對長塔腿在不同節(jié)間、不同布置型式、不同主斜材剛度比下整體穩(wěn)定承載能力進行分析比較。研究結果表明，節(jié)間數越大，塔腿的整體穩(wěn)定承載能力越低；設置塔腿過渡段實際上增加了塔腿的節(jié)間數，塔腿的整體穩(wěn)定承載能力降低；當主材不變，在滿足斜材強度和穩(wěn)定的前提下加大斜材截面規(guī)格，當節(jié)間數超過5時，塔腿整體穩(wěn)定極限承載能力有一定的增大，但增大不明顯。關鍵詞：長塔腿；整體穩(wěn)定；極限承載能力0 前言隨著特高壓輸電

2、線路的建設，鐵塔的尺寸、負荷發(fā)生了質的變化，鐵塔趨于大型化。同時，為滿足山區(qū)線路建設環(huán)境保護的要求，設計采用了長塔腿（一般為1215m，最長可達18m）型式。為實現較高的材料利用率，長塔腿都是通過設置多分隔的輔助材使其單肢穩(wěn)定承載力與強度設計值相接近，使構件達到滿應力設計。但隨著塔腿高度的增大和分隔數的增加，大變形產生的二階效應可能會使塔腿受力性能變差，對其穩(wěn)定承載力產生一定的不利影響。本文采用ANSYS軟件對長塔腿不同節(jié)間、不同布置型式、不同主斜材剛度比下整體穩(wěn)定承載能力進行分析比較。1 分析模型1.1 長塔腿研究分類塔腿布置型式按無過渡段輔助材未再分（A型）、無過渡段輔助材再分（B型）和有

3、過渡段（C型）三種，過渡段取3m。以6節(jié)間為例，塔腿布置型式見圖1。主材選用L200×24B，斜材選用125×8H。腿長按315m，210節(jié)間分隔考慮。布置型式A和布置型式C按鉸接考慮，布置型式B分別按鉸接和固接考慮。A型 B型 C型圖1 塔腿布置型式在主材規(guī)格不變的情況下，以斜材滿足強度、穩(wěn)定性要求的基礎上逐步加大斜材規(guī)格（改變主斜材的剛度比）進行分析比較。對布置型式B，腿部斜材規(guī)格分別取L125×8H、L125×10H、L140×10H進行分析。1.2 荷載情況分別按600風荷載作用和900風荷載作用下進行長塔腿有限元整體穩(wěn)定分析，荷載情況

4、見圖2。第一組荷載情況：600（單位：KN） 第二組荷載情況：900（單位：KN） 圖2 荷載情況1.3 有限元模型實際鐵塔結構一般都具有非線性和初始缺陷。在有限元分析中，初始缺陷的添加一般是選取ANSYS屈曲分析中的整體屈曲模態(tài)作為長塔腿初始缺陷。因此，本次分析采用非線性分析方法，可以考慮初始缺陷和大變形響應等特征，使用牛頓-拉普森法跟蹤長塔腿的后屈曲行為。根據結構實際受力特點，本次有限元分析模型中，塔腿主材、斜材和輔助材料分別采用BEAM188梁單元和BEAM44單元模擬，并選用相應的截面特性，建立有限元模型，劃分網格，在兩端點施加相應的自由度約束（塔腿主材、斜材剛結，輔助材料鉸接），在節(jié)

5、點上施加相應荷載，分別對三種布置形式進行分析。具體分析步驟為：首先進行靜力分析，然后進行特征值分析和模態(tài)擴展分析，求得線性解。利用特征值的分析結果進行非線性分析，激活大變形效應，重新施加荷載，施加擾動，執(zhí)行分析。2 有限元計算分析結果2.1 臨界荷載 在有限元計算分析中，同一種腿型，不同荷載，屈曲模態(tài)就不相同；不同腿型，同一種荷載，屈曲模態(tài)也不相同。對同一種腿型，有多階屈曲模態(tài)，選取不同階的屈曲模態(tài)（初始缺陷），極限荷載計算結果就不相同。根據現有計算結果分析，大概有小于2%的差別。根據結構穩(wěn)定理論，應采用低階的整體屈曲模態(tài)作為分析極限承載能力的初始缺陷。經計算，得出不同分析模型下的臨界荷載（為

6、圖2的已知指定荷載），即為該模型的極限承載能力，極限荷載系數分析結果見表1表2。表1 極限荷載系數節(jié)間數2345678910A型（600風）1.6021.5951.5761.5471.5371.5251.5121.3801.380A型（900風）1.6001.5951.5721.5391.5081.4921.4521.3801.380C型（600風）1.5981.5341.5221.5071.4651.4391.4101.3121.168C型（900風）1.5801.5251.4701.4351.4031.2881.1801.1581.158B1型（600風）1.6081.5551.5651.

7、5561.5221.5221.5201.4761.372B1型（900風）1.5971.5401.5551.5651.4901.4801.4401.4271.337B2型（600風）1.6051.5651.5571.5551.5051.5301.5251.4801.478B2型（900風）1.6001.5511.5541.5651.5001.5051.4551.4321.412B3型（600風）1.6041.5561.5571.5881.5101.5301.4901.4801.450B3型（900風）1.6011.5431.5551.5661.5051.5051.4581.4451.425B4

8、型（600風）1.6201.5541.5501.5301.5151.4601.4251.4501.432B4型（900風）1.5901.5501.5501.5351.5001.4471.4201.4101.387B5型（600風）1.6201.5541.5561.5351.5171.4971.4901.4621.437B5型（900風）1.5941.5541.5551.5351.5151.4721.4421.4271.397B6型（600風）1.6201.5621.5611.5501.5351.5121.4601.4771.462B6型（900風）1.5941.5541.5551.5381.5

9、221.4881.4491.4471.418表2 極限荷載系數（歸一化結果）2345678910A型（600風）1.0000.9960.9840.9660.9590.9520.9440.8610.861A型（900風）1.0000.9970.9830.9620.9430.9330.9070.8620.862C型（600風）1.0000.9600.9520.9430.9170.9010.8820.8210.731C型（900風）1.0000.9650.9300.9080.8880.8150.7470.7330.733B1型（600風）1.0000.9670.9730.9680.9470.9470

10、.9450.9180.853B1型（900風）1.0000.9640.9740.9800.9330.9270.9020.8940.837B2型（600風）1.0000.9750.9700.9690.9380.9530.9500.9220.921B2型（900風）1.0000.9690.9710.9780.9380.9410.9090.8950.882B3型（600風）1.0000.9700.9710.9900.9410.9540.9290.9230.904B3型（900風）1.0000.9640.9710.9780.9400.9400.9110.9030.890B4型（600風）1.0000.

11、9700.9710.9900.9410.9540.9290.9230.904B4型（900風）1.0000.9640.9710.9780.9400.9400.9110.9030.890B5型（600風）1.0000.9590.9600.9480.9360.9240.9200.9020.887B5型（900風）1.0000.9750.9760.9630.9500.9230.9050.8950.876B6型（600風）1.0000.9640.9640.9570.9480.9330.9010.9120.902B6型（900風）1.0000.9750.9760.9650.9550.9340.9090.

12、9080.890注：B1型：B型，斜材L125X8， 支座鉸接 B2型：B型，斜材L125X10，支座鉸接 B3型：B型，斜材L140X10，支座鉸接 B4型：B型，斜材L125X8， 支座固接 B5型：B型，斜材L125X10，支座固接 B6型：B型，斜材L140X10，支座固接從表1、表2可以看到，同一塔型在600大風荷載和900大風荷載作用下，900大風荷載作用下極限荷載系數低于600大風荷載作用下極限荷載系數。可見，對于塔腿極限荷載來說，900大風荷載起控制作用。對于每一種塔腿型式，節(jié)間數越大，極限荷載系數越低，即塔腿的整體穩(wěn)定承載能力越低。對長塔腿的三種布置型式來說，A型、B型極限荷

13、載系數差別不明顯，C型由于其實際節(jié)間要比A型、B型多兩個，極限荷載系數有較明顯的減少，即塔腿的整體穩(wěn)定承載能力較A、B型低。圖3比較了不同塔腿型式在900大風荷載作用下按支座鉸接算得的極限荷載系數。對B型塔腿，還分別按固定支座和鉸支座進行了計算，從表中可以看出，支座變化引起的塔腿整體穩(wěn)定極限承載能力的變化規(guī)律不明顯。圖3 900大風荷載作用下不同塔型極限荷載系數同一塔型主材、輔助材相同，在斜材滿足強度、穩(wěn)定性要求的基礎上加大斜材截面規(guī)格，當節(jié)間數大于5時，塔腿整體穩(wěn)定極限承載能力有一定的增大，但增大不明顯。圖4比較了B型塔腿斜材分別取三種不同規(guī)格按鉸支座分析的極限荷載系數。圖4 900大風荷載

14、B1、B2、B3極限荷載系數2.2 失效部位分析（1）A型和B型：失效部位與初始缺陷模態(tài)有關，一般是位于壓力最大的塔腿中下部處的桿件，有些是該處主材，有些是斜材。（2）C型，塔腿節(jié)間數大于6時，失效桿件見圖5所示之藍色和紅色加粗桿件，水平壓力為控制工況。主要是由于長塔腿頂部相對地面，其變形較大，加重了頂面桿件的二階效應造成的。（3）C型，塔腿節(jié)間數不大于6時，其失效兼有（1）、（2）兩種失效模式的特點。圖5 失效桿件示意圖3 結論對于前文中給定的塔腿型式和選定的桿件型號，通過分析，可以得出以下結論：（1）900大風荷載對于塔腿極限荷載計算起控制作用。（2）節(jié)間數越大，塔腿的整體穩(wěn)定承載能力越低。（3）對于三種塔腿型式，A型、B型整體穩(wěn)定極限承載能力差別不明顯，C型由