風(fēng)載荷作用下輸電塔線體系的非線性靜力學(xué)分析

風(fēng)載荷作用下輸電塔線體系的非線性靜力學(xué)分析

0靜態(tài)受荷作用下風(fēng)載荷作用下的靜態(tài)響應(yīng)由于輸電線系統(tǒng)的存在和高線電阻器，輸電線不僅是一個(gè)復(fù)雜的架接系統(tǒng)，也是一個(gè)風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際線路的風(fēng)壓力下，輸電線系統(tǒng)的輸電線可以形成不同程度的銀冰，這是一個(gè)取決于翅膀形狀的特征。在一定的風(fēng)速和風(fēng)攻角的條件下，會(huì)產(chǎn)生特定的氣流。此外，塔的高度和文件之間的距離非常大，這使得塔的整體支撐變得困難。對(duì)輸電塔系統(tǒng)靜態(tài)負(fù)荷負(fù)荷分析不僅要考慮結(jié)構(gòu)負(fù)荷、冰超載負(fù)荷和導(dǎo)線負(fù)荷的影響，還要考慮風(fēng)負(fù)荷的影響。由于輸電塔系統(tǒng)具有高柔度和大傾角，因此在風(fēng)負(fù)荷的影響下分析和研究靜態(tài)響應(yīng)分析具有重要的理論和技術(shù)價(jià)值。輸電塔線體系在風(fēng)載荷作用下的靜態(tài)承載能力分析是塔線結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性研究的基礎(chǔ),已有大量的研究成果.潘慈勇等利用ANSYS研究了幾何材料雙重非線性下的塔架極限載荷.Moon等采用相對(duì)真實(shí)鐵塔尺寸縮小一倍的次結(jié)構(gòu)模型研究了鐵塔在風(fēng)載荷作用下的失效形式.孔貝貝系統(tǒng)研究了輸電鐵塔在覆冰載荷、風(fēng)載荷、基礎(chǔ)沉降、斷線載荷等工況下的靜動(dòng)力特性.Rao等使用NASTRAN對(duì)鐵塔彈塑性力學(xué)性能研究表明了鐵塔中多余桿件的連接對(duì)鐵塔承載能力有重要影響.然而,在導(dǎo)線覆冰工況下,系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)向角、覆冰風(fēng)攻角等風(fēng)載荷影響因素分析的成果較少.因此,本文以42m高貓頭直線塔為研究對(duì)象,建立“三線兩塔”輸電塔線體系耦合有限元模型,考慮自重載荷、覆冰載荷、導(dǎo)線張力以及風(fēng)載荷組合作用下輸電塔線體系的靜態(tài)響應(yīng),重點(diǎn)研究了風(fēng)速、風(fēng)向角、覆冰風(fēng)攻角三個(gè)主要風(fēng)載荷因素對(duì)輸電鐵塔靜態(tài)承載能力的影響,總結(jié)相應(yīng)的影響規(guī)律,為鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、加固及改造提供理論依據(jù).1基于接觸問(wèn)題的anas交通體系耦合本文采用有限元軟件ANSYS建立了某輸電工程的“三線兩塔”輸電塔線體系耦合非線性有限元模型,跨越形式為耐張塔-直線塔-耐張塔,檔距分配為300m—500m—300m.輸電鐵塔采用42m高貓頭直線塔,鐵塔由主材和輔材共同構(gòu)成,主材選用Q345鋼,輔材選用Q235鋼,角鋼采用Beam188單元模擬,角鋼規(guī)格通過(guò)給梁?jiǎn)卧x予不同的橫截面形狀及尺寸來(lái)表達(dá).導(dǎo)線采用型號(hào)為L(zhǎng)GJ400/35鋼芯鋁絞線,采用Beam4單元進(jìn)行模擬,此單元具有大變形及應(yīng)力剛化特性,并且可以通過(guò)定義實(shí)常數(shù)來(lái)設(shè)置輸電線的初始預(yù)應(yīng)變.在輸電塔線體系靜態(tài)響應(yīng)分析中,絕緣子的存在使得輸電鐵塔和輸電線之間力的傳遞發(fā)生了較大變化,因此不能在分析中略去絕緣子的影響,絕緣子串采用剛度較大的Beam188單元模擬.耦合方面,絕緣子串上端鉸接于鐵塔橫擔(dān)掛線處,下端固接于導(dǎo)線端,鉸接端采用CP命令對(duì)鉸接點(diǎn)進(jìn)行空間三個(gè)平動(dòng)自由度的位移耦合,固接端采用CP命令對(duì)固接點(diǎn)進(jìn)行三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)角自由度耦合.邊界條件上,輸電鐵塔塔腳固接,由于耐張塔的剛度相對(duì)而言非常大,因此輸電線兩端近似認(rèn)為是鉸接.對(duì)于多檔連續(xù)跨越導(dǎo)線,給定導(dǎo)線的總自由長(zhǎng)度后,各檔導(dǎo)線會(huì)通過(guò)船體來(lái)調(diào)節(jié)弧垂以達(dá)到各檔導(dǎo)線位移協(xié)調(diào)和張力平衡條件,根據(jù)Hamilton原理建立覆冰導(dǎo)線非線性運(yùn)動(dòng)微分方程,基于MATLAB編制了三檔連續(xù)跨越覆冰導(dǎo)線的靜態(tài)構(gòu)形及張力計(jì)算程序,以作為ANSYS輸電塔線體系中導(dǎo)線的初始坐標(biāo)及預(yù)應(yīng)力,最終得到輸電塔線體系耦合有限元模型如圖1所示.覆冰導(dǎo)線所受風(fēng)載荷是由非對(duì)稱覆冰截面的氣動(dòng)力產(chǎn)生的,圖2所示為新月形覆冰單導(dǎo)線所受氣動(dòng)力,FL、FD和M分別為覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)扭矩,α為覆冰風(fēng)攻角.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明,FL、FD和M隨風(fēng)攻角α而變,可表示為:其中ρ、U、D分別為空氣密度、來(lái)流風(fēng)速和導(dǎo)線的直徑,CL(α)、CD(α)、CM(α)分別為升力系數(shù)、阻力系數(shù)和扭矩系數(shù),通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD數(shù)值模擬得到.本文選用文獻(xiàn)中的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)折算后作為覆冰導(dǎo)線所受的氣動(dòng)力,其中導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ400/35,15mm新月形覆冰厚度在20m/s風(fēng)速工況下的氣動(dòng)力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示.2非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析在風(fēng)載荷作用下分析輸電塔線體系的靜力響應(yīng)前先明確風(fēng)向角的定義,通常將順線路方向風(fēng)記為0度風(fēng)向角,將垂直于線路方向風(fēng)記為90度風(fēng)向角,風(fēng)向角定義如圖4所示.鐵塔上的風(fēng)載荷根據(jù)文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)公式分段計(jì)算并平均到鐵塔每個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行施加,輸電線上的風(fēng)載荷通過(guò)將氣動(dòng)力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)折算成氣動(dòng)力后作為電線風(fēng)載荷施加至導(dǎo)地線單元上.對(duì)于斜風(fēng)向時(shí),輸電塔線體系風(fēng)載荷根據(jù)文獻(xiàn)中經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換.下面分別對(duì)0度、45度、60度、90度風(fēng)向角,在0度覆冰風(fēng)攻角,20m/s風(fēng)速工況下的輸電塔線體系進(jìn)行非線性靜態(tài)響應(yīng)分析,表1給出了不同風(fēng)向角工況下的靜態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果.(1)導(dǎo)線方面:由表1可知,在0度-90度風(fēng)向角區(qū)間內(nèi),導(dǎo)線最大位移及最大張力均隨風(fēng)向角的增大而增加,主要原因在于隨著風(fēng)向角的增加,垂直于導(dǎo)線方向的風(fēng)載荷分量遞增,導(dǎo)致導(dǎo)線橫向偏移增大;隨著偏移量的增大,導(dǎo)線伸張長(zhǎng)度也隨之增大,因此導(dǎo)線最大拉力也隨著風(fēng)向角的增大而遞增.(2)鐵塔方面:由表1可知,在0度-90度區(qū)間內(nèi),鐵塔最大位移隨風(fēng)向角的增大而增加;在45度風(fēng)向角作用下,鐵塔桿件的最大拉軸力和最大壓軸力均比其他風(fēng)向角下要大;四種風(fēng)向角工況下鐵塔最大應(yīng)力均位于貓頭塔的“貓耳朵”與塔頭橫檔連接處,因此該區(qū)域內(nèi)的桿件是危險(xiǎn)桿件,由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),該區(qū)域內(nèi)的桿件部分已經(jīng)進(jìn)入屈服階段.3風(fēng)攻角下風(fēng)壓特性分析風(fēng)載荷對(duì)輸電塔線體系影響的另一重要因素是由于覆冰導(dǎo)線風(fēng)攻角的變化引起的作用于導(dǎo)線上的氣動(dòng)力變化.不同冰型及冰厚的覆冰導(dǎo)線在不同風(fēng)速工況下的氣動(dòng)力特性不盡相同,本文選用LGJ400/35型導(dǎo)線,15mm新月形覆冰在20m/s風(fēng)速工況下的氣動(dòng)力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖3)來(lái)研究風(fēng)攻角對(duì)輸電塔線體系靜態(tài)承載能力的影響.為了更明顯的體現(xiàn)氣動(dòng)力對(duì)輸電線的作用,將風(fēng)向角設(shè)置為90度,也即橫向風(fēng)垂直于線路方向,此時(shí)輸電線上所受的氣動(dòng)力達(dá)到最大.由于輸電導(dǎo)線在風(fēng)載荷作用下引起的扭轉(zhuǎn)與偏心覆冰作用下的扭轉(zhuǎn)在一定程度上會(huì)互相抵消,且導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)主要對(duì)導(dǎo)線自身的受力狀態(tài)有所影響,通過(guò)絕緣子等金具與輸電鐵塔連接后,導(dǎo)線自身的扭轉(zhuǎn)對(duì)鐵塔靜態(tài)承載能力的影響幾乎可以忽略不計(jì),因此在覆冰風(fēng)攻角影響分析中均不考慮氣動(dòng)扭矩對(duì)輸電導(dǎo)線的影響.在0度-180度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),每隔30度作為一個(gè)工況,對(duì)輸電塔線體系進(jìn)行非線性靜態(tài)分析.取空氣密度ρ=1.205kg/m3、風(fēng)速V=20m/s、導(dǎo)線直徑d=0.02682m代入式(1)可得單位長(zhǎng)度覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力及經(jīng)折算后導(dǎo)線各節(jié)點(diǎn)上施加的氣動(dòng)力值匯總見表2.表3給出了不同覆冰風(fēng)攻角工況下的靜態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果.(1)導(dǎo)線方面:由表3和圖5可知,在0度-60度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),導(dǎo)線最大位移隨風(fēng)攻角增大而增大;在60度-180度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),導(dǎo)線最大位移隨風(fēng)攻角的增大而減小.導(dǎo)線的位移主要由阻力作用引起的垂直于線路方向的橫向偏移和由升力作用引起的高度方向的上下位移組成,在0度-30度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),阻力和升力均隨風(fēng)攻角而遞增,因此導(dǎo)線最大位移在該區(qū)間內(nèi)迅速增長(zhǎng);在30度-60度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),阻力隨風(fēng)攻角遞增,升力隨風(fēng)攻角遞減,且阻力對(duì)導(dǎo)線位移的影響略大于升力,因此導(dǎo)線位移有緩慢的增長(zhǎng);在60度-90度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),阻力繼續(xù)隨風(fēng)攻角而遞增并達(dá)到最大值,而升力卻由原先的豎直向上變?yōu)樨Q直向下,由導(dǎo)線的約束關(guān)系和幾何變形協(xié)調(diào)關(guān)系可知,導(dǎo)線在豎直向下的升力作用下,會(huì)在一定程度上限制導(dǎo)線的橫向偏移,因此導(dǎo)致輸電線最大偏移值下降;其余風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi)導(dǎo)線最大偏移量的規(guī)律同樣可由阻力值的大小以及升力值的大小和方向進(jìn)行闡釋,在此不詳細(xì)列舉.由表3和圖5可知導(dǎo)線張力最大值與導(dǎo)線最大位移之間沒(méi)有直接關(guān)系,而與導(dǎo)線的伸長(zhǎng)量或是彈性應(yīng)變有關(guān),導(dǎo)線最大張力和阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變換趨勢(shì)高度一致,均在90度-120度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi)達(dá)到波峰值,在30度和150度風(fēng)攻角附近達(dá)到波谷值.(2)鐵塔方面:由表3和圖6可知,在0度-30度、150度-180度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),鐵塔的最大位移和最大應(yīng)力值沒(méi)有明顯差別;在30度-90度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),鐵塔的最大位移和最大應(yīng)力值隨風(fēng)攻角的增大而增長(zhǎng);在90度-150度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi),鐵塔的最大位移和最大應(yīng)力值隨風(fēng)攻角的增大而減小.在90度風(fēng)向角工況下,由于氣動(dòng)阻力的作用,導(dǎo)線主要發(fā)生橫向偏移,因此鐵塔橫檔導(dǎo)線懸掛點(diǎn)處將受一垂直于線路方向的橫向力,導(dǎo)線的橫向偏移量越大,作用在鐵塔上的該橫向力也越大.覆冰導(dǎo)線所受氣動(dòng)阻力在0度-90度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi)遞增,在90度-180度風(fēng)攻角區(qū)間內(nèi)遞減,因此鐵塔的最大位移和最大應(yīng)力、以及桿件軸力和塑性應(yīng)變均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì).在30度和150度風(fēng)攻角附近,鐵塔的最大應(yīng)力和最大塑性應(yīng)變有微弱的波動(dòng)是由于在上述風(fēng)攻角下導(dǎo)線的氣動(dòng)升力對(duì)導(dǎo)線的張力產(chǎn)生影響進(jìn)而對(duì)鐵塔部分桿件的受力產(chǎn)生影響,總體而言這種影響在上述反應(yīng)出來(lái)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)看并不是很明顯.由上述圖表可以看出,在90度風(fēng)攻角工況下,鐵塔應(yīng)力、軸力、位移、塑性應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)均達(dá)到最大,因此90度風(fēng)攻角屬于危險(xiǎn)工況.此外,輸電塔線體系在橫向風(fēng)作用下桿件最大應(yīng)力均位于貓頭塔的“貓耳朵”與塔頭橫檔連接處,因此該區(qū)域內(nèi)的桿件屬于危險(xiǎn)桿件,需重點(diǎn)關(guān)注.4風(fēng)速對(duì)覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力的影響風(fēng)速是度量風(fēng)載荷大小的一個(gè)決定性因素,一方面作用于輸電鐵塔上的風(fēng)載荷與風(fēng)速的二次方成正比,當(dāng)風(fēng)速增加時(shí),輸電鐵塔上的風(fēng)載荷將以風(fēng)速的二次方倍增長(zhǎng);另一方面風(fēng)速對(duì)覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)力特性有很大的影響.為了研究風(fēng)速對(duì)輸電塔線體系靜態(tài)承載的影響,選用LGJ400/35型號(hào)導(dǎo)線、15mm新月形覆冰,風(fēng)攻角為0度,風(fēng)向角為90度情況下,對(duì)風(fēng)速分別為10m/s、20m/s和30m/s工況下的輸電塔線體系進(jìn)行靜態(tài)求解.在0度風(fēng)攻角工況下,由于新月形覆冰導(dǎo)線上下截面的對(duì)稱性,因此不需要考慮氣動(dòng)升力對(duì)覆冰導(dǎo)線的影響.由文獻(xiàn)可知,覆冰導(dǎo)線在10m/s、20m/s和30m/s工況下的阻力系數(shù)CD分別為1.1761、1.1777和1.1073,通過(guò)式(1)轉(zhuǎn)化得到各風(fēng)速工況下單位長(zhǎng)度覆冰導(dǎo)線的氣動(dòng)阻力分別為1.9005N、7.6122N和16.1036N,在此可以看出風(fēng)速對(duì)覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)力有很大的影響.表4給出了不同風(fēng)速工況下的靜態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果.由表4和圖8、圖9可知,風(fēng)速是影響輸電鐵塔靜態(tài)承載能力的重要因素.鐵塔的應(yīng)力、軸力以及塑性應(yīng)變均隨風(fēng)速的增大而增大,且進(jìn)入屈服階段的桿件隨風(fēng)速增大而增多;導(dǎo)線的張力及應(yīng)變也隨著風(fēng)速的增大而增長(zhǎng),風(fēng)速越大,導(dǎo)線發(fā)生橫向偏移的位移也越大.總體而言,風(fēng)速越大,鐵塔桿件內(nèi)力越大、穩(wěn)定性越差,越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞.5風(fēng)荷載作用下輸電塔線靜態(tài)響應(yīng)本文以“三線兩塔”輸電塔線體系耦合有限元模型為基礎(chǔ)研究了輸電塔線體系的靜力學(xué)響應(yīng),考察了風(fēng)向角、覆冰風(fēng)攻角和風(fēng)速對(duì)輸電塔線體系靜態(tài)承載能力的影響,獲得的主要結(jié)論如下:(1)輸電塔線體系對(duì)風(fēng)載荷非常敏感,不同風(fēng)載荷工況下輸電塔線靜態(tài)響應(yīng)差別很大.(2)鐵塔和導(dǎo)線的最大位移隨著風(fēng)向角增加而增大,在45度