大風作用下輸電鐵塔受力計算及模態(tài)分析

1、大風作用下輸電鐵塔受力計算及模態(tài)分析摘要:本文在已知工況的情況下，自主進行特高壓輸電桿塔整體建模以及詳細計 算外部荷載，并在建立模型的基礎上，通過賦材、施加外部荷載和約束等操作對 輸電桿塔進行靜力求解、模態(tài)分析與地震譜分析。在靜力求解中，著重對桿塔中 的地線支架以及其他部位的危險桿件進行強度校核；在模態(tài)分析中，通過讀取各 階頻率對應的振型，簡單剖析桿塔的振型規(guī)律，以發(fā)現(xiàn)在桿塔建模中存在的問題 并加以改進；在地震譜分析中，在合并模態(tài)的前提下，主要提取桿塔的前幾階有 效頻率，并簡單分析其振型。另外，通過利用兩種不同的設計規(guī)范對同一桿件的 不同材料分別進行強度校核，簡單分析材料的選取對桿件強度的影響

2、。關鍵詞：特高壓輸電桿塔靜力求解模態(tài)分析1引言輸電塔是一種柔度較大的高聳結構，一般為較高的格構式鋼析架塔，作為重 要生命線工程的電力設施，輸電塔的破壞會導致供電系統(tǒng)的癱瘓，造成嚴重的后 果。然而輸電塔受風載破壞發(fā)生倒塔等事故屢有發(fā)生。因此，確保風荷載、振動荷 載作用下輸電線路的正常工作，己成為電力工程與輸電工程一個重要的研究課題。本文對鐵塔在平均風載荷下的受力情況進行分析計算，通過分析計算輸電塔 在平均風荷載下的位移和受力以及形變情況，對輸電塔受風力作用的承載能力進 行一定的分析和了解。2研究對象及對應荷載計算2.1研究對象及對應工況本文對5C-ZJ1鐵塔進行載荷計算，建模，使用ansys軟件

3、進行內(nèi)力分析，模 態(tài)分析以及動載分析。該類型桿塔的設計條件、使用條件及桿塔單線圖可以通過 鐵塔設計手冊查詢。2.2荷載計算計算設計工況下的輸電塔受力荷載，除了考慮塔身角鋼所受的風荷載，還需要考慮導地 線、金具自重以及所受風荷載對塔身所施加的力。計算出各部分受力后，將其加載到仿真模 型的各個節(jié)點上。其中，按著計算風荷載公式計算各節(jié)點受力情況。（2-1）3桿塔仿真模型的建立3.1有限元建模思想本文采用桁梁混合模型對500KV超高壓輸電角鋼塔500ZJ1進行有限元建模。在建立有限 元模型時，首先應該對整個桿塔結構進行離散化，以桿塔中桿件的中心軸線兩兩相交的連接 處作為模型的節(jié)點；兩節(jié)點之間存在的角鋼

4、簡化為模型的單元，其中包括梁單元與桿單元。 既承受軸向力又承受剪力和彎矩的主材或者橫隔材視為梁單元，只承受軸向力的斜材被視為 桿單元，而不承受作用力的輔材則被忽略掉，不作為模型的單元。另外，輔材不作為計算模 型的單元，輔材與桿單元的連接處不視為模型的節(jié)點。在ANSYS程序中，本文所設計的桿塔的梁單元采用Beam188單元模擬塔身、塔腿主材以 及橫隔材，該單元基于梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響。；采用Link8單元模擬除了 塔身和塔腿主材以及橫隔材以外的其他所有桿件5，這種三維桿單元是沿軸方向上的拉壓單 元，每個節(jié)點具有三個自由度6。4受力分析及模態(tài)分析4.1靜力求解及內(nèi)力分析在模型建好之后

5、，根據(jù)荷載計算中的結果，給桿件節(jié)點施加位移約束、荷載以及慣性加 速度。通過計算能夠得到桿塔該計算工況下的位移及受力情況。4.1.1位移分析下圖4-1表示以節(jié)點為研究對象分析桿塔節(jié)點。由圖示可知，最大節(jié)點位移為9.27cm。圖4-1桿塔節(jié)點位移圖如圖4-2所示，找到綜合位移最大的節(jié)點145,可以發(fā)現(xiàn)該節(jié)點位于右側地線支架的頂端。 分析其原因可能是因為節(jié)點142以及節(jié)點143處收到地線重力和地線風壓的集中荷載，再加 上重力的影響使該節(jié)點脫離原來位置，偏移位移最大，達到9cm。Y軸方向位移最小，是因為風速為垂直導線方向，且沒有考慮導線不平衡張力，所以位 移極小。Z軸位移為負數(shù)，說明由于重力作用使得桿

6、塔沿重力方向產(chǎn)生位移。圖4-2最大節(jié)點處位移4.1.2軸力分析計算出鐵塔所受軸力，圖4-3所示，桿塔桿件多數(shù)受壓。最大壓力為250kN,最大拉力為 103kN。其中，由于風荷載主要集中在x方向上，所以塔腿左側受拉，右側受壓符合常規(guī)認識， 其中右側桿件為承受壓力最大的桿件，可能是因為在塔退根部，塔身重力占最大影響，從而 導致桿件受軸向壓力最大。在酒杯第三節(jié)間右側內(nèi)部受拉且拉力為所有桿件中最大值，主要是因為最右側導線的重 力以及導線風壓影響。在酒杯第四節(jié)間左側外部受壓，內(nèi)部受拉主要是因為最左側導線的重力效應以及導線風 壓影響。在橫擔右側上部受拉下部受壓，可能是由于最右側導線重力以及風壓導致上部受拉

7、，同 時綜合中間相導線的風壓影響，使得下部橫擔受壓。由圖4-4所示，對于地線支架可以看到左側支架通體受力偏小，而右側地線支架下沿單 元344受拉力較大，達到95kN，主要是由于右側地線重力以及地線風壓所致。圖4-3桿塔軸力圖 圖4-4地線支架軸力圖4.1.3應力分析同理，計算出所受應力，如圖4-5所示，最大應力為58.5MPa，對比上圖可以發(fā)現(xiàn)，軸 向受力大的桿件其應力值也相對較大。但是軸力圖中受最大拉力和最大壓力的桿件分別是單 元277和單元5。承受最大壓應力的桿件是單元5,與單元5承受最大壓力數(shù)據(jù)吻合；但是 承受最大拉應力的桿件為單元344，位于右側地線支架左側橫擔上沿，同時單元344承受

8、拉 力為95kN，與桿件277承受的拉力103kN相差無幾。但是由于二者位置不同，所選角鋼型 號也不同，桿件344選用的是L125X10，遠小于桿件277選用的L160X10，所以截面差異較大， 因此可以解釋桿件344承受拉應力最大。圖4-5桿塔整體應力圖4.2模態(tài)分析模態(tài)分析主要用來確定設計結構的振動特性，包括結構的固有頻率和與之相對應的各階 振型，從而根據(jù)振型的形狀我們可以確定某階固有頻率對應的結構的變形趨勢8。本文用ANSYS對桿塔進行模態(tài)分析，選用Block Lanczos法提取了 500KV輸電桿塔ZJ1塔 前八階振型圖，它的自振頻率及周期如表4-4所示：表4-4桿塔本身自振頻率及周

9、期第一階為X方向彎曲振動，可能是因為酒杯第四節(jié)間寬度較大或者采用的角鋼規(guī)格不合 理，塔頭橫擔的尺寸較大，導致桿塔上半部分節(jié)間相對于主柱中心線的轉動慣量增大，引起 X方向彎曲振動；第二階與第三階頻率相近，兩階振型均為Y向彎曲振動且位移較小，說明Y向剛度在可 接受范圍內(nèi)；第四階振型為塔腿根部局部扭轉，說明此處剛度嚴重不足。分析其原因，一方面是因為塔腿根部承受著絕大部分的桿塔重力；另一方面是因為在建模時塔腿節(jié)間處的橫隔材有所省略，并且塔腿處輔材的缺省也會導致塔腿處的剛度值偏??；第五至第八階振型均是酒杯塔第三節(jié)間部位彎曲或扭轉，綜合考慮可知此處應該是剛度 不足。可能是因為該部位角鋼尺寸過小，不足以滿足

10、工程需要。因此在改進的過程中可以把 此處作為關鍵部位進行強度校核以及技術改進。5總結本文在已知工況的情況下，進行特高壓輸電桿塔整體建模以及詳細計算外部荷載。對輸 電桿塔進行靜力求解、模態(tài)分析。得出以下幾點總結：1）在建模過程中，不需要對所有桿件全部建模。在桿塔結構中，輔材不承受作用力，可 以不把輔材作為模型單元。2）在靜力求解中可以發(fā)現(xiàn)，塔腿處部分桿件受軸向壓力較大，且該部位軸向壓應力也較 為明顯。分析之后可知，在建模時要注意塔腿處的角鋼設計長度不能過大，要保證角鋼的長 細比在一個合理的范圍之內(nèi)。3）對于酒杯塔結構來說，塔身尺寸布置方式對桿塔剛度影響較大。當桿塔上半部分尺寸 過大時，容易導致酒杯第三節(jié)間剛度不足。4）通過對桿塔的模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，塔腿處局部扭轉較為嚴重。因此，在實際的建模過 程中，要注意對橫隔材與部分斜材、輔材的正確處理，不可任意舍去。參考文獻：劉振亞.國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設計500kV輸電線路分冊S.中國電力出版社，2005.12：