110kV耐張角鋼塔ANSYS靜動力特性分析

【摘要】隨著輸電線路電壓等級的提高，對輸電線路桿塔系統的靜態和動態穩定性提出了更高的要求。本文基于已有設計桿塔圖紙中角鋼類型繁多，建模復雜等特點。為了縮短建模周期，提高建模質量，本文運用新的建模方式對架空輸電桿塔進行建模。通過對華南沿海區域110kV耐張角鋼塔的有限元建模和動靜力分析，證明了該有限元建模方法的有效性和可行性。

【關鍵詞】輸電桿塔；角鋼；有限元建模

隨著我國經濟建設的快速發展[1]，電力作為我國一項基本工業，其發展的速度直接影響、制約著其他產業的發展。現階段，架空輸電桿塔已經成為各國電力供應最重要的載體。作為高負荷的電能輸送載體的輸電線路體系，對國家經濟生產和維持人民群眾的日常生活正常運行擔負著非常重要作用。

1、輸電桿塔ANSYS建模

1.1輸電桿塔建模的基本步驟

該110J2J604型耐張輸電桿塔塔高41.3m，根開9.8m，結構全采用角鋼。此輸電塔共采用了2種鋼材，分別為Q235，Q345。

本文采用桁梁混合模型對輸電桿塔進行建模。由于模型中角鋼種類多達30余種，不適合直接將輸

電桿塔幾何模型直接導入有限元軟件。

有限元建模具體的實施步驟如下：

a）根據設計的施工圖紙建立三維幾何模型，并獲取幾何模型的節點坐標；

b）通過關鍵點在ANSYS中建立輸電桿塔有限元模型；

c）加載求解。

1.2采用的單元類型[2]

桿單元用于模擬桁架、纜索、鏈桿、彈簧等構件。該類單元只承受桿軸向的拉壓，不能承受彎矩，節點只有平動自由度。不同的單元具有彈性、塑性、蠕變、膨脹、大轉動、大撓度（也稱大變形）、大應變（也稱有限應變）、應力剛化（也稱幾何剛度、初試應力剛度等）等功能。

LINK180無實常數型初應變，但可以輸入初應力文件，可考慮附加質量；大變形分析時，橫截面面積可以是變化的，即可為軸向伸長的函數或者剛性的。梁單元分為多種單元，分別具有不同的特性，是一類軸向拉壓、彎曲、扭轉的3D單元。該類單元有常用的2D/3D彈性梁元、塑性梁元、漸變不對稱梁元、3D薄壁梁元及有限應變梁元。此類單元除BEAM189實為3節點外，其余均為2節點，但有些輔以另外的節點決定單元的方向。本文采用BEAM188單元。

1.3質量增大系數

考慮到輸電桿塔實體模型中有螺栓、節點板的，而有限元模型只有桿系結構，并沒有螺栓、節點板，這樣就造成有限元模型輸電桿塔質量與實際結構相比偏小。所以，在這里需要對鋼材密度乘以一個質量放大系數K。根據以往同類型桿塔的建模經驗，本文輸電桿塔質量放大系數取1.5。

2、輸電桿塔靜力特性分析[3、4]

本文根據輸電線路設計規程相關要求，對輸電桿塔進行風荷載計算及加載，荷載工況為90度風荷載。

計算后的得到的風載荷分段加載到輸電桿塔并求解，通過ANSYS有限元分析可知，在設計風荷載及自重的作用下，輸電桿塔最大位移是150.8mm，最大等效應力單元等效應力為172.2Mpa，且位于塔腿處，說明該輸電桿塔在最大風荷載作用下沒有危險。同時通過有限元分析結果可以發現，斜桿應力普遍較小，并不是重要的受力構件，也進一步論證有限元建模不考慮輔桿的合理性。同時為接下來研究在考慮腐蝕缺陷情況下輸電桿塔受力性能研究提供參考建議。

3、輸電桿塔動力特性分析

3.1輸電桿塔模態提取

按照上述方法對110J2J604型耐張輸電桿塔完成實體模型建立后，對其進行模態分析，并提取前6階自振周期及前3階振型。

3.2與經驗公式對比

該輸電桿塔第一周期的經驗公式如下：

按照該公式求得輸電桿塔的自振周期T=0.423s，與有限元軟件計算的第一階周期0.323s相比，模態分析計算結果比經驗公式的計算結果大23.6%。兩者存在一定的差距，造成這個結果的原因主要有兩個，第一，有限元分析時對模型進行了一定的簡化。主材、橫隔材全部剛接，而實際結構中主材、橫隔材并不是完全剛接的，所以造成結構整體剛度偏大，自振周期偏小；第二，由于輸電桿塔的結構形式多樣，并且高度不一，如干字塔、貓頭塔、酒杯塔等等，而不同高度、不同類型的輸電桿塔自振周期具有不同的特點，所以這一公式并不能適用于所有類型的輸電桿塔，在進行輸電桿塔設計時需要更加精確的自振周期計算公式。

結語：

a）本文根據工程實際，選用合理的有限元建模方法對華南沿海區域110kV耐張角鋼桿塔進行了實體建模以及靜動力特性分析。論證了該輸電桿塔在最大風荷載作用下結構的穩定性。

b）由于不同高度、不同類型的輸電桿塔自振周期具有不同的特點，所以這一公式并不能適用于所有類型的輸電桿塔。在進行該類輸電桿塔設計時需要更加精確的自振周期計算公式。

參考文獻：

[1]李杰.生命線工程的研究進展與發展趨勢.土木工程學報，（2006）39，1-6.

[2]王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]郝紫陽.鐵塔動態特性及穩定性有限元分析[D].北京：華北電力大學碩士學位論文，2005.

[4]汪江，杜曉峰，張會武.淮蚌線淮河大跨越輸電塔有限元建模和修正研究.鋼結構，（2009）24，21-24.

[5]中華人民共和國建設部（2006）GB50009-2001建筑結構荷載規范.中國建筑工業出版社，北京.

作者簡介：

劉靜，女，漢，籍貫廣東佛山，1986年8月生，研究方向：電力化學。

通信作者：華南理工大學，劉靜。