結構設計競賽之山地輸電塔模型優化分析*

蔡梓濤 潘兆東 劉良坤 艾心熒 沈博謙

東莞理工學院生態環境與建筑工程學院 廣東 東莞 523000

引言

近年來，我國的能源開發重心加速向西部轉移，將西部地區的能源資源供往東部沿海地區，“西電東送”便是其中一個措施，為滿足遠距離輸送配電要求，需保證輸電塔這一重要生命線工程的安全性和可靠性[1]。鑒于此，第十三屆全國大學生結構設計競賽要求設計、制作一個山地輸電塔模型，該模型需能承受風荷載、導地線荷載等多種荷載作用，同時滿足比賽對模型變形撓度和材料利用率的限值要求[2]。

1 模型制作要求

輸電塔模型柱腳用自攻螺釘固定在支座底板250mm×250mm的正方形區域內。模型上設置有用于懸掛導線的2個“低掛點”和1個“高掛點”，導線懸掛點距離底板的高度和其投影距底板中心點的距離須在規定的范圍內。

2 模型方案

2.1 節點優化

為滿足“強節點”的設計理念，本文研究了以下幾種增強型節點，其具體特征見表1。

表1 增強型節點

綜合考慮節點受力形式、大小和美觀性等因素，對于主要受力節點，采用竹粉固結的處理方式，同時外包竹皮提高美觀性，對于次要節點采用竹皮外包和嵌入小塊處理。

2.2 受壓桿件截面優化

為提高受壓桿件的穩定性，制作并分析了以下幾種型式的桿件截面，其具體特征見表2。

表2 桿件截面方案

綜合考慮抗壓強度、慣性矩、材料利用率和制作難易程度等因素，主桿須采用箱型截面或三角形截面，保證結構安全性和可靠性，塔尖和塔臂部位桿件采用角鋼截面，節省材料的同時有效保證抗壓強度。

2.3 塔尖及塔臂優化

在保證塔尖強度、塔臂穩定性、剛度和承載力的基礎上，分別設計了如表3、4所示的幾種方案，并對其受力特性進行了比較。

表3 塔尖部位方案

表4 塔臂部位方案

2.4 結構體系優化

通過對多種方案進行優化組合，設計了如表5所示的4種結構體系。綜合考慮結構幾何形狀、荷載形式、長細比及不同體系的抗扭、抗彎性能等因素，最終確定采用仰角塔臂桁架體系。

3 仿真分析驗算

3.1 結構設計參數信息

利用Midas有限元分析軟件進行建模與分析，首先對主要參數進行了如下定義[3]：①材料密度為0.8g/cm3，泊松比為0.3，順紋抗拉強度為60MPa，抗壓強度為30MPa，彈性模量為60GPa；②幾何信息：立柱、橫桿使用截面為箱型截面，塔尖和塔臂為角鋼截面，斜拉為實腹長方形截面；③結構支座：施加固定端約束。

3.2 靜荷載下結構內力分析

限于篇幅，本文僅以45°下坡門架工況為例進行三級荷載模擬分析：①一級加載選取4kg+4kg+4kg的導線荷載工況加于高掛點；②一級荷載基礎上，二級加載選取每根導線4kg+4kg+4kg的導線荷載工況加于低掛點；③一、二級荷載基礎上，三級加載選取10kg的水平荷載工況加于高掛點。

表6為該模型關鍵節點的位移計算結果，通過對比分析可以看出：①一級荷載下，結構的最大位移發生在塔尖部分，達9.05mm；②二級荷載下，由于懸臂長度大，導致結構受扭后，懸臂末端的位移達到22.77mm。因此，比賽時可考慮使用更剛的拉桿來滿足撓度要求；③三級加載對部分壓桿有利，懸臂兩端位移達到24.18mm和27.64mm，由于三級荷載不考慮限空，所以只要保證結構不發生破壞即可。

3.3 風荷載下結構內力分析

以西安地區風荷載信息為例，同時考慮輸電塔所處的山地環境對參數進行調節，分析模型在風荷載作用下的內力和位移。根據結構荷載規范GB50009-2012[4]求得該風荷載標準值3.59KN/m2，迎風面截面面積19550mm2，結構所受風荷載大小70N。通過有限元仿真分析的結果可知，輸電塔迎風面構件受拉，背面構件受壓，軸力最大值為76N，關鍵節點的最大位移為3.06mm（見表6），均遠低于限值。

3.4 實際加載

對模型進行多次加載，并將有限元結果與試驗進行對比分析，可以發現：①整體變形接近仿真分析結果，但由于桿件間是由502膠水進行黏結，節點處容易脫落，此時可以在節點外包裹竹粉，增強節點的傳力性；②部分受拉桿件會發生松弛，因此，在制作模型時需使受拉桿件處于預拉狀態；③在加載過程中模型發生扭轉變形，可用竹粉制作凹槽以防止導線滑移脫落而出現的加載失敗情況；④為防止模型底端四個柱腳節點在加載時破壞，通過竹皮的膠結作用將竹片和立柱膠結在一起提高整體受力性能，防止因柱腳受彎、剪而引起局部破壞。

表5 結構體系方案

表6 關鍵節點位移

4 結束語

通過改善節點制作工藝，對比不同桿件截面的抗壓強度，分析不同方案的優缺點，設計了仰角塔臂桁架體系，并結合仿真分析和加載試驗，最終確定本優化模型，提高了材料利用率和荷質比，并確保滿載情況下滿足變形要求。