拉線門型塔中大風工況下拉線預應力變化影響結果的研究

王德賀，楊曉軍，李小磊

(1.東北電力大學，吉林 吉林132012;2.瀘州電業局，四川 瀘州646000)

0 引言

在拉線式輸電塔結構中，拉線可以看作柔索結構，塔身是由各種桿件及結點組成的鋼結構，只有對拉線施加了適當的預應力，才具有足夠的拉線剛度拉緊鐵塔，避免拉線塔在外荷載下失穩，造成輸電線路運行事故。因此，為了分析拉線初應力對鐵塔結構內力的影響，本文使用大型結構分析軟件ANSYS建立拉線門型塔結構索、梁、桁架組合單元的非線性有限元模型，通過理論數據對比分析，找出拉線初應力分布大小對此類型鐵塔結構受力影響的規律，為拉線式輸電塔施工提供了設計依據。

1 拉線門型塔有限元模型

在拉線式輸電塔工程施工中，拉線初應力取值不應過大或過小。若初應力過大，則輸電鐵塔桿件結構的節點處位移變形較小，節點剛度較大，但鐵塔主材軸向力明顯增加，桿件會受壓失穩;若初應力過小，則輸電鐵塔結構桿件的節點位移變形較大，節點剛度較小，容易晃動，也會失穩。因此，拉線初應力的取值大小會影響到輸電塔在外荷載作用下的整體穩定性、結構剛度和用材經濟性。

1.1 有限元模型的建立

假設所用鐵塔材料為各向同性的，符合V.Mises初始屈服條件和相關流動法則;結構運動為大位移小變形;利用CAD繪圖技術建立鐵塔的空間模型，利用分析軟件ANSYS建立的有限元模型中不計構件加工、安裝誤差及材料初始缺陷，節點為理想的空間鉸接或剛節點;主材和橫隔采用考慮切應變形而且不考慮截面翹曲的Beam188梁單元，輔材采用僅受軸向力的Link8桿單元，拉線采用僅受拉力的Link10索單元。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 ANSYS有限元模型

1.2 拉線預應力的施加

一般索結構預應力的施加在ANSYS軟件中有3種方法，即等效降溫法、等效力法、等效應變法。等效降溫法就是通過設置不同方向異性的溫度應變系數，利用應力－應變關系式計算，在設定的溫差下獲得與預應力產生的應變等效的效果;等效力法就是用與預應力等效的均布力或集中力施加到相對應的結構節點上;等效應變法就是通過加載位移約束，使結構中產生的應變與預應力加載方式產生的應變等效。本文采用等效應變方式施加拉線的預應力。利用軟件中的反復迭代方式，不斷調整拉線單元的應力初值，使得實際工況的拉線初始應力與有限元模型中單元的應力差值滿足精度要求，進而實現精確的施加拉線預應力。

1.3 大風工況下拉線門型塔外荷載的計算

拉線塔不同于一般自立式鐵塔的主要特性是拉線塔縱橫向荷載作用下的力學性能不同，在大風工況下鐵塔所受荷載主要是重力荷載和風荷載，隨著攻角的改變，風荷載的大小和方向也會改變。因此，為了分析拉線門型塔在線性攻角下的力學性能，選取0°、45°、90°等具有代表意義的大風攻角工況。風向示意圖如圖2所示。鐵塔自身的風荷載，按照文獻［1－2］對風荷載的計算規定，采用分段的方式計算。塔身風荷載按照不同高度不同風振系數取值分為4段，3種攻角的風荷載大小按分配系數分別分配到水平、垂直坐標軸上。

經分析，在0°風攻角工況、拉線門型塔在風速為33 m/s風速時，出現桿件破壞情況;在45°風攻角工況、拉線門型塔在31 m/s風速時，出現桿件破壞情況;在90°風攻角工況、風速為28.6 m/s時，出現迎風面主柱離開基礎的情況，也就是說此種工況導致鐵塔破壞。因此，90°風攻角大風工況為此類型鐵塔的最不利攻角。

圖2 風向示意圖

1.4 非線性有限元方程的建立與求解

拉線式輸電塔在初始預應力狀態下受預應力和重力的作用，達到平衡狀態。此過程在整體坐標系下，根據UL描述法，從t時刻到t+Δt時刻的荷載步中，結構的非線性增量平衡方程為

式中:t［K］為 t時刻結構的總的切線剛度矩陣;d{u}為從 t到 t+Δt時刻結構的節點位移增量;t+Δt{R}為在t+Δt時刻的結構節點荷載力向量;t{F}t為時刻單元應力的等效節點荷載力向量。

［3］分析，非線性方程組采用Newton－Raphson迭代求解更能體現UL法的優點，故采用N－R法求解非線性方程組。利用ANSYS軟件中的應力剛化效應和大變形效應考慮有限元計算過程中變形對結構剛度的影響。

2 工程實例分析

以東－長－哈輸電線路中使用的87(LM21)型拉線門型塔為例，分析拉線預應力對鐵塔結構的影響。工程條件如下:電壓等級為500 kV，水平、垂直檔距分別為480 m、650 m，導線、地線規格分別為LGJ－400/50、LGJ－95/53，極限拉線應力為1 400 MPa。選取最不利工況90°大風攻角作為結構的外載荷，拉線初應力依次選取50 MPa、100 MPa、120 MPa、150 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa，風速選為此種工況破壞時風速28.6m/s，對拉線門型塔進行支座反力、節點位移和桿件軸向應力等方面的數值計算，并作比較分析。圖3為拉線編號圖，圖4為桿件與節點編號圖。

圖3 拉線編號圖

圖4 桿件與節點編號圖

2.1 拉線初應力對拉線門型塔初始態的影響

鐵塔的拉線初應力與初始態下拉線門型塔的關系具有正相關性，即拉線門型塔初始狀態下的支座反力、節點位移、桿件軸向應力隨著拉線初應力的增加而顯著增加，而且具有線性趨勢。

2.2 拉線初應力對拉線門型塔荷載態的影響

鐵塔的拉線初應力與荷載態下拉線門型塔支座反力、節點位移、桿件軸向應力關系具有非相關性。

當初應力小于250 MPa時，拉線初應力對鐵塔荷載態下的支座反力基本沒有多大影響，拉線門型塔在荷載態下的節點位移隨著拉線初應力的增加明顯減小，拉線門型塔的桿件軸向應力隨著拉線初應力的增加有所減小，但是變化不大。

當拉線初應力超過250 MPa時，鐵塔荷載狀態下的支座反力隨著拉線初應力的增加而顯著增加，對拉線門型塔荷載狀態下的節點位移隨拉線初應力的增加影響不大，拉線門型塔的桿件軸向應力隨著拉線初應力的增加而顯著增加。

3 結論

拉線門型塔在大風工況下拉線預應力變化分析結果表明，輸電鐵塔拉線初應力的選取對拉線門型塔結構的受力性能具有一定的影響。拉線初應力對拉線門型塔初始態的支座反力、節點位移和桿件軸力的影響基本呈線性關系，但是拉線初應力對拉線門型塔荷載態的受力性能具有明顯的非線性關系。因此，對于具有拉線式門型結構的輸電塔，考慮到有預應力拉線鐵塔的受力特性，應綜合考慮施工的外部受荷條件，選取合適的拉線初應力，避免輸電鐵塔受力不均，失穩。

參考文獻:

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