(广东电网公司东莞供电局 广东东莞 523000)
摘要:本文在已知工况的情况下，自主进行特高压输电杆塔整体建模以及详细计算外部荷载，并在建立模型的基础上，通过赋材、施加外部荷载和约束等操作对输电杆塔进行静力求解、模态分析与地震谱分析。在静力求解中，着重对杆塔中的地线支架以及其他部位的危险杆件进行强度校核；在模态分析中，通过读取各阶频率对应的振型，简单剖析杆塔的振型规律，以发现在杆塔建模中存在的问题并加以改进；在地震谱分析中，在合并模态的前提下，主要提取杆塔的前几阶有效频率，并简单分析其振型。另外，通过利用两种不同的设计规范对同一杆件的不同材料分别进行强度校核，简单分析材料的选取对杆件强度的影响。
关键词：特高压 输电杆塔 静力求解 模态分析
1 引言
输电塔是一种柔度较大的高耸结构，一般为较高的格构式钢析架塔，作为重要生命线工程的电力设施，输电塔的破坏会导致供电系统的瘫痪，造成严重的后果。然而输电塔受风载破坏发生倒塔等事故屡有发生。因此,确保风荷载、振动荷载作用下输电线路的正常工作,己成为电力工程与输电工程一个重要的研究课题。
本文对铁塔在平均风载荷下的受力情况进行分析计算，通过分析计算输电塔在平均风荷载下的位移和受力以及形变情况，对输电塔受风力作用的承载能力进行一定的分析和了解。
2 研究对象及对应荷载计算
2.1 研究对象及对应工况
本文对5C-ZJ1铁塔进行载荷计算，建模，使用 ansys 软件进行内力分析，模态分析以及动载分析。该类型杆塔的设计条件、使用条件及杆塔单线图可以通过铁塔设计手册查询。
2.2 荷载计算
计算设计工况下的输电塔受力荷载，除了考虑塔身角钢所受的风荷载，还需要考虑导地线、金具自重以及所受风荷载对塔身所施加的力。计算出各部分受力后，将其加载到仿真模型的各个节点上。
其中，按着计算风荷载公式计算各节点受力情况。
（2-1）
3 杆塔仿真模型的建立
3.1 有限元建模思想
本文采用桁梁混合模型对500KV超高压输电角钢塔500ZJ1进行有限元建模。在建立有限元模型时，首先应该对整个杆塔结构进行离散化，以杆塔中杆件的中心轴线两两相交的连接处作为模型的节点；两节点之间存在的角钢简化为模型的单元，其中包括梁单元与杆单元。既承受轴向力又承受剪力和弯矩的主材或者横隔材视为梁单元，只承受轴向力的斜材被视为杆单元，而不承受作用力的辅材则被忽略掉，不作为模型的单元。另外，辅材不作为计算模型的单元，辅材与杆单元的连接处不视为模型的节点[4]。
在ANSYS程序中，本文所设计的杆塔的梁单元采用Beam188单元模拟塔身、塔腿主材以及横隔材，该单元基于梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。；采用Link8单元模拟除了塔身和塔腿主材以及横隔材以外的其他所有杆件[5] ，这种三维杆单元是沿轴方向上的拉压单元，每个节点具有三个自由度[6]。
4 受力分析及模态分析
4.1静力求解及内力分析
在模型建好之后，根据荷载计算中的结果，给杆件节点施加位移约束、荷载以及惯性加速度。通过计算能够得到杆塔该计算工况下的位移及受力情况。
4.1.1 位移分析
下图4-1表示以节点为研究对象分析杆塔节点。由图示可知，最大节点位移为9.27cm。
图4-1 杆塔节点位移图
如图4-2所示，找到综合位移最大的节点145，可以发现该节点位于右侧地线支架的顶端。分析其原因可能是因为节点142以及节点143处收到地线重力和地线风压的集中荷载，再加上重力的影响使该节点脱离原来位置，偏移位移最大，达到9cm。
Y轴方向位移最小，是因为风速为垂直导线方向，且没有考虑导线不平衡张力，所以位移极小。
Z轴位移为负数，说明由于重力作用使得杆塔沿重力方向产生位移。
图4-2 最大节点处位移
4.1.2 轴力分析
计算出铁塔所受轴力，图4-3所示，杆塔杆件多数受压。最大压力为250kN,最大拉力为103kN。
其中，由于风荷载主要集中在x方向上，所以塔腿左侧受拉，右侧受压符合常规认识，其中右侧杆件为承受压力最大的杆件，可能是因为在塔退根部，塔身重力占最大影响，从而导致杆件受轴向压力最大。
在酒杯第三节间右侧内部受拉且拉力为所有杆件中最大值，主要是因为最右侧导线的重力以及导线风压影响。
在酒杯第四节间左侧外部受压，内部受拉主要是因为最左侧导线的重力效应以及导线风压影响。
在横担右侧上部受拉下部受压，可能是由于最右侧导线重力以及风压导致上部受拉，同时综合中间相导线的风压影响，使得下部横担受压。
由图4-4所示，对于地线支架可以看到左侧支架通体受力偏小，而右侧地线支架下沿单元344受拉力较大，达到95kN，主要是由于右侧地线重力以及地线风压所致。
图4-3 杆塔轴力图 图4-4 地线支架轴力图
4.1.3 应力分析
同理，计算出所受应力，如图4-5所示，最大应力为58.5MPa，对比上图可以发现，轴向受力大的杆件其应力值也相对较大。但是轴力图中受最大拉力和最大压力的杆件分别是单元277和单元5。承受最大压应力的杆件是单元5，与单元5承受最大压力数据吻合；但是承受最大拉应力的杆件为单元344，位于右侧地线支架左侧横担上沿，同时单元344承受拉力为95kN，与杆件277承受的拉力103kN相差无几。但是由于二者位置不同，所选角钢型号也不同，杆件344选用的是L125x10，远小于杆件277选用的L160x10，所以截面差异较大，因此可以解释杆件344承受拉应力最大。
图4-5 杆塔整体应力图
4.2 模态分析
模态分析主要用来确定设计结构的振动特性，包括结构的固有频率和与之相对应的各阶振型，从而根据振型的形状我们可以确定某阶固有频率对应的结构的变形趋势[8]。
本文用ANSYS对杆塔进行模态分析，选用Block Lanczos法提取了500KV输电杆塔ZJ1塔前八阶振型图，它的自振频率及周期如表4-4所示：
表4-4 杆塔本身自振频率及周期
第一阶为X方向弯曲振动，可能是因为酒杯第四节间宽度较大或者采用的角钢规格不合理，塔头横担的尺寸较大，导致杆塔上半部分节间相对于主柱中心线的转动惯量增大，引起X方向弯曲振动；
第二阶与第三阶频率相近，两阶振型均为Y向弯曲振动且位移较小，说明Y向刚度在可接受范围内；
第四阶振型为塔腿根部局部扭转，说明此处刚度严重不足。分析其原因，一方面是因为塔腿根部承受着绝大部分的杆塔重力；另一方面是因为在建模时塔腿
节间处的横隔材有所省略，并且塔腿处辅材的缺省也会导致塔腿处的刚度值偏小；
第五至第八阶振型均是酒杯塔第三节间部位弯曲或扭转，综合考虑可知此处应该是刚度不足。可能是因为该部位角钢尺寸过小，不足以满足工程需要。因此在改进的过程中可以把此处作为关键部位进行强度校核以及技术改进。
5 总结
本文在已知工况的情况下，进行特高压输电杆塔整体建模以及详细计算外部荷载。对输电杆塔进行静力求解、模态分析。得出以下几点总结：
1）在建模过程中，不需要对所有杆件全部建模。在杆塔结构中，辅材不承受作用力，可以不把辅材作为模型单元。
2）在静力求解中可以发现，塔腿处部分杆件受轴向压力较大，且该部位轴向压应力也较为明显。分析之后可知，在建模时要注意塔腿处的角钢设计长度不能过大，要保证角钢的长细比在一个合理的范围之内。
3）对于酒杯塔结构来说，塔身尺寸布置方式对杆塔刚度影响较大。当杆塔上半部分尺寸过大时，容易导致酒杯第三节间刚度不足。
4）通过对杆塔的模态分析可以发现，塔腿处局部扭转较为严重。因此，在实际的建模过程中，要注意对横隔材与部分斜材、辅材的正确处理，不可任意舍去。
参考文献:
[1] 刘振亚. 国家电网公司输变电工程典型设计 500kV输电线路分册 [S].中国电力出版社，2005.12：288-290
[2] 孟遂民，孔伟.架空输电线路设计 [M].中国电力出版社，2007.8
[3] 陈祥和，刘在国，肖琦.输电杆塔及其基础设计[M].中国电力出版社，2008.5.
[4] 冯云巍. 输电杆塔ANSYS建模及动力特性研究 [J]. 钢结构，2008.(1):16-17.
[5] 周传月，腾万秀，张俊堂.工程有限元与优化分析应用实例教程 [M].北京:科学出版社，2005.
论文作者:田河,邝凡,周粤,徐力斌,柳竺江,严俊韬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/19
标签：杆塔论文; 荷载论文; 节点论文; 单元论文; 位移论文; 地线论文; 是因为论文; 《电力设备》2018年第28期论文;