特高壓輸電黃河大跨越直線塔特殊節點的有限元分析

雷　強，馬詩文，李　菁，田文博，徐　震

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南　250013；2.國網山東省電力公司，濟南　250001；3.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南　250021；4.國網東營供電公司，山東　東營　257000）

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特高壓輸電黃河大跨越直線塔特殊節點的有限元分析

雷強1，馬詩文2，李菁3，田文博4，徐震1

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013；2.國網山東省電力公司，濟南250001；3.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021；4.國網東營供電公司，山東東營257000）

摘要：±800 kV山西晉北—江蘇南京特高壓直流輸電線路工程黃河大跨越直線塔采用鋼管塔，部分節點連接桿件多、受力復雜。采用有限元軟件對2個特殊節點各工況下受力性能進行分析，分析結果表明節點選用的鋼材規格能滿足結構受力要求。

關鍵詞：大跨越；鋼管塔；節點；有限元

1　概述

±800 kV山西晉北—江蘇南京特高壓直流輸電線路工程黃河大跨越采用“耐（JM-37）—直（ZKT-100）—直（ZKT-100）—耐（JM-57）”跨越方式。2基直線跨越塔采用單回路自立式鋼管塔，呼高為100 m，全高為104.5 m。

直線跨越塔塔頭承受大跨越導地線巨大荷載，為保證塔頭尺寸合理緊湊、結構傳力簡潔明確，通過對不同塔頭型式的選型比較，直線跨越塔采用展翅型塔頭，見圖1。展翅型塔頭外形與電氣間隙配合較緊湊，塔身主柱高度最小，塔重較輕。但是該種塔頭橫擔上平面交點處（節點1）共計11根桿件交匯一起，橫擔和塔身交點處（節點2）共計10根桿件交匯一起。在不同工況下，所交匯的各桿件承受不同拉壓荷載，使這兩處節點受力尤為復雜。節點起著傳遞荷載，將結構構件連成整體作用，節點設計是否合理，關系到整個鐵塔結構的安全。利用有限元軟件ABAQUS［1］對上述兩節點各工況下受力情況進行分析，為大跨越塔節點設計提供依據。

圖1　直線跨越塔塔頭

2　節點樣式選擇

鋼桁架節點常用3種節點樣式［2］：焊接空心球節點、焊接鋼管節點和螺栓球節點，見圖2。

圖2　節點樣式

焊接空心球節點是一種桿件直接焊接到閉合的球形殼體上形成的節點，桿件軸力均由球殼承受。焊接鋼管節點是焊接空心球節點的一種變化形式，以一小段鋼管代替空心球，以往認為該型節點加工比較困難，隨著計算機放樣技術和自動焊接技術的推廣應用，鋼管塔加工廠家生產這種節點已比較容易。螺栓球節點是由高強度螺栓將鋼管構件與球體連接成一體，在構造上比較接近于鉸接模型。螺栓球節點由于其特殊構造，在輸電線路鋼管塔上無法采用。

根據直線跨越塔荷載情況，綜合考慮鋼管塔廠家加工能力和鐵塔施工等因素，本工程節點選擇大多鋼管塔加工廠家都可加工的焊接鋼管節點型式。

根據直線跨越塔交匯于節點處桿件的外徑、壁厚，桿件與節點鋼管相貫豎向長度及構造要求，節點1和節點2均初步選擇Q345Bφ529×25。

3　有限元模型建立

3.1材料本構關系

節點鋼材屈服強度取fy=345 MPa，彈性模量取Es=2.06×105MPa。由于荷載較大，按理想材料本構關系，塑性變形過大容易導致不收斂，因此選取與實際接近的本構關系，其材料本構模型如圖3所示。

3.2節點1模型

節點1位于左右橫擔連接處，如圖4所示，共有11根支管與主管連接。g1、g2、g3、g4和g5支管與主管相貫連接，另外6根支管通過插板螺栓連接在加勁板上，加勁板與節點管壁焊接。

圖3　材料本構模型

圖4　節點1模型

3.3節點2模型

節點2模型如圖5所示，共有10支管與主管相連接。ZG1（520），ZG2（530）和ZG3（540）支管與主管相貫連接，ZGX（1100）支管通過法蘭盤與主管連接，其余6根支管通過插板螺栓連接在加勁板上，加勁板與主管管壁焊接。

圖5　節點2模型

3.4有限元模型建立

節點1、節點2均以實體建模，網格單元采用C3D8R，所有接觸類型均為Tie綁定約束，集中荷載與螺栓孔采用耦合約束。節點1約束條件為主管上、下端自由，支管遠端采用滑動支座，只能發生軸向位移；節點2主管上端自由，主管下端以及相貫支管遠端看作滑動支座，只能發生軸向位移。共設置2個分析步，在第一個分析步施加10 N的集中荷載，使分析一開始就很容易建立接觸關系，在第二個分析步施加實際集中荷載，保證分析過程收斂。

4　有限元分析結果

4.1節點1有限元分析結果

將多種工況下的桿件荷載施加到對應法蘭節點上，得到節點在各工況下的Von-MIses應力。節點1荷載位置節點編號如圖6所示。

圖6　節點1荷載位置編號

4.1.1工況1（90°風工況）

在工況1下，節點1應力如圖7所示，從應力圖中可以看出節點最大應力為369 MPa，已經達到屈服極限。從圖中可以看出支管g5靠近主管區域出現大面積的屈服，材料從彈性階段進入塑性屈服階段，發生塑性變形，但節點1主管絕大部分區域均處于彈性工作階段。在工況1作用下節點1主管承載力滿足要求。

圖7　工況1節點應力云圖

4.1.2工況2（45°風）

在工況2下，應力如圖8所示，從云圖中可以看出節點最大應力為351 MPa，已經屈服。從圖中可以看出支管g5靠近主管區域出現一定面積的屈服區域，同時相貫區域和加勁板與管焊接區域也出現小面積的屈服，存在應力集中，材料從彈性階段進入塑性屈服階段，發生塑性變形，但節點1主管絕大部分區域均處于彈性工作階段。在工況2作用下節點1主管承載力滿足要求。

圖8　工況2應力云圖

4.1.3工況14（斷右導線）

在工況14下應力如圖9所示，從圖中可以看出節點最大應力為351MPa，已經屈服。支管g1、g3、g4、g5及相貫焊接處與法蘭板和加勁板焊接處出現了小面積的屈服，但節點1主管絕大部分區域均處于彈性工作階段。在工況14作用下節點1主管承載力滿足要求。

圖9　工況14應力云圖

4.1.4工況33（覆冰）

在工況33下，節點1應力圖如圖10所示，從云圖中可以看出節點最大應力為412 MPa，已經屈服。支管g5靠近主管的一側出現大面積的屈服，主管上端、相貫焊接處及法蘭板焊接處均出現一定面積的屈服區域，但節點1主管絕大部分區域均處于彈性工作階段。綜上所述，在工況33作用下節點1主管承載力滿足要求。

圖10　工況33應力云圖

4.1.5工況41（安裝）

在工況41下，節點1應力如圖11所示，從云圖中可以看出節點最大應力為443 MPa，已經屈服。支管g4、g5出現大面積的屈服區域，相貫焊接處及法蘭板焊接處均出現一定面積的屈服區域，但節點1主管絕大部分區域均處于彈性工作階段。在工況41作用下節點1主管承載力滿足要求。

圖11　工況41應力云圖

4.2節點2有限元分析結果

將多種工況下的桿件荷載施加到對應法蘭節點上，得到節點在各工況下的Von-MIses應力。節點2荷載位置節點編號如圖12所示。

4.2.1工況1（90°風）

在工況1下，節點2的應力云圖見圖13，從內力云圖中可以看出，在主管與支管（520）和支管（530）相貫處的小部分區域，以及支管（540）與法蘭盤（FLB6）連接處的小部分區域，材料從彈性階段進入塑性屈服階段，發生塑性變形，其余絕大部分區域均處于彈性工作階段。在該荷載工況作用下節點2主管承載力滿足要求。

圖12　節點2編號

圖13　工況1應力圖

4.2.2工況6（60°大風）

在工況6下，節點2的應力云圖見圖14。從圖14中可以看出，在主管與支管（520）和支管（530）相貫處的小部分區域，加勁板（JJB6）與主管連接部位，以及支管（540）與法蘭盤（FLB6）連接處的小部分區域，材料從彈性階段進入塑性屈服階段，發生塑性變形，其余絕大部分區域材料均處于彈性工作階段。在該荷載工況作用下節點2主管承載力滿足要求。

圖14　工況6應力圖

4.2.3工況14（斷右導線）

在工況14下，節點2的應力云圖見圖15，從圖15中可以看出，在主管的中部區域，主管與支管（520）和支管（530）相貫處的大部分區域，加勁板（JJB4）與主管連接處下端部位，加勁板（JJB6）與主管、支管（530）和法蘭盤（FLB6）連接的部位，加勁板（JJB5）與支管（520）連接處的大部分區域，以及主管底部法蘭盤與加勁板連接的小部分區域等，這些區域材料從彈性階段進入塑性屈服階段，材料發生塑性變形，可認為材料已達到屈服狀態，但節點2主管大部分區域均處于彈性工作階段。在該荷載工況作用下節點2主管承載力滿足要求。

圖15　工況14應力圖

4.2.4工況17（安裝）

在工況17下，節點2的應力云圖見圖16，從圖16中可以看出，在主管與支管（520）和支管（530）相貫處的小部分區域，加勁板（JJB6）與法蘭盤（FLB6）連接的部位，以及支管（540）與法蘭盤（FLB6）連接處的小部分區域，材料從彈性階段進入塑性屈服階段，發生塑性變形，其余絕大部分區域材料均處于彈性工作階段，可認為材料可以正常工作，在該荷載工況作用下節點2主管承載力滿足要求。

圖16　工況17應力圖

5　結語

通過有限元分析，黃河大跨越直線塔特殊節點1、節點2在承載力方面有以下結論：兩個節點盡管有部分區域進入塑性，但大部分區域均處于彈性范圍內，節點有足夠強度儲備，盡管節點構造復雜，但在承載力上還是安全的［3-4］。有限元分析結果表明部分支管鋼材在一些工況下進入塑性狀態，部分支管需采取加大壁厚等措施加強。本文僅分析了節點在各工況荷載情況下的應力狀態，節點極限承載力還需進一步分析。

參考文獻

［1］馬曉峰.abaqus 6.11中文版有限元分析從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［2］李榮星，魏才昂，丁峙崐，等.鋼結構連接節點設計手冊（第二版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［3］GB 50017—2003鋼結構設計規范［S］.

［4］Q/GDW 391—2009輸電線路鋼管塔構造設計規定［S］.

Finite Element Analysis on Straight Tower Special Nodes of Long Span Crossing the Yellow River in UHV Transmission

LEI Qiang1，MA Shiwen2，LI Jing3，TIAN Wenbo4，XU Zhen1
（1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. Economic＆Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；4. State Grid Dongying Power Supply Company，Dongying 257000，China；）

Abstract:±800 kV In the Shanxijinbei-Jiangsunanjing DC transmission line project，steel pipe tower is used for the long span crossing over the Yellow River. For those towers，some special nodes are connected to many members and stressed in a complex state. Two special nodes are analyzed using finite element analysis software. The results indicated the adopted steel specification used in special nodes can meet the requirement of the structural force.

Key words:long pan crossing；steel tube structure；node；finite analyses

中圖分類號：TM753

文獻標志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0005－05

收稿日期：2016-03-21

作者簡介：

雷強（1981），男，工程師，從事線路結構設計工作。