发表论文：输电塔覆冰承载力的分析方法及可靠性__墨水学术,论文

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:166

副标题#e#
　　输电塔覆冰承载力的分析方法及可靠性
　　向哲，刘树堂
　　广州大学土木工程学院广州510006
　　摘要：本文针对输电塔在覆冰荷载作用下的稳定承载能力，提出了其分析理论，并结合杆系有限元分析方法，探讨了其建模及计算的可靠性，指出了今后的研究重点。
　　关键词：输电塔；覆冰荷载；有限元；极限承载力
　　对于重冰区的输电线路，架空线及塔架覆冰对线路的安全和稳定运行具有严重的隐患。为此，本文在结合目前国内外研究的基础上，总结了其分析理论及计算过程，并提出了设计中应该注意的几个方面，以提高电网的安全运行水平。
　　1.输电塔覆冰荷载分析及加载方法
　　按来源来分，输电塔所受荷载主要包括两部分：直接作用在铁塔自身的荷载（包括塔架自重、塔架风荷载）以及来自架空线的转化荷载（包括导地线自重、覆冰产生的垂直荷载及其引起的风荷载增加）。针对铁塔在重覆冰情况下的结构响应，最主要考虑的作用力来自覆载及覆冰后风载的增加。而对于多数直线塔而言，由于两侧无档距差或者档距差很小，分析时并未考虑两侧不平衡张力。结合杆系结构有限元程序特点，在使用SAP2000等软件对铁塔进行静态分析过程中，所有外荷载均作为节点集中力逐一加到铁塔节点上。对于塔架自重可由软件自行完成，仅需给出材料的截面等参数即可由软件自动计算并施加，考虑到实际铁塔构件之间采用螺栓和连接板进行连接，该部分质量占到结构总质量的10%～20%，计算时应乘以一个自重放大系数。计算铁塔的风荷载时，采用拟静力法，首先对铁塔按照不同高度进行分段，一般情况下即按照结构的自然分段来划分。具体处理为：按照各段轮廓面积计算出风荷载，再乘以相应的挡风系数（挡风系数为塔架沿风向的投影面积与其轮廓面积之比）得到各段风荷载值后，取与某杆件节点相连的所有杆件的一半长度所受的风载的合力作为作用在该节点的集中力，将杆件所受的风荷载等效为节点荷载。
　　关于架空线的荷载，则是从一个初始覆冰厚度（可取设计冰厚）开始考虑，并逐级增加冰厚（如以1mm为单位），由此得出不同的垂直荷载及水平风载值，将其加载至横担相应挂点处。值得注意的是，覆冰情况下，每增加一单位冰厚所产生的荷载是按平方关系的增长。
　　2.极限状态下稳定分析和强度计算的关系
　　结构丧失稳定，即屈曲，是指在外力作用下结构的平衡状态开始丧失，稍有扰动变形便迅速增大，最后使结构破坏【7】。对于输电塔等超静定结构而言，失稳破坏的原因主要是构件中轴向力的作用，其稳定承载力与刚度密切相关，而任一个杆件的失稳变形都将引起结构整体刚度矩阵的改变，应从结构整体的角度来分析稳定问题。
　　关于强度计算，通常在设计中主要指狭义的材料强度，而稳定尤其是第二类稳定是指广义的结构强度，失稳时相应的荷载称为极限荷载，此时由于结构整体软化或者材料屈服，结构一般将发生比较大的位移。这不可避免地涉及到结构的大变形等非线性有限元概念，应利用二阶弹塑性分析进行极限承载力研究。这种做法把内力分析和稳定性分析统一了起来，事实上现在关于结构稳定性的研究也已经扩展到结构极限强度的研究阶段，只是由于非线性分析的复杂性(比如初始缺陷、材料、几何非线性参数的选取)，实际工程中仅对高耸柔性结构等稳定问题比较突出的结构进行深入的稳定研究。
　　从力学角度来看，分析塔架结构极限承载力实质就是通过逐级增加荷载（即冰厚），不断求解计入几何非线性和材料非线性的刚度方程，而塔架在不断增加的外荷载作用下，刚度将不断变化，因此其问题本质即为外荷载产生的应力使结构的整体刚度矩阵不断改变并最终趋于奇异，利用有限元离散可得到如下方程
　　[Kt]•{ΔU}={ΔF}，（1）
　　[Kt]即为结构的当前刚度矩阵。
　　采用非线性有限单元#p#副标题#e#法,结构的总平衡方程可写为
　　([K0]+[KL]+[Kσ])•{d}={F}（2）
　　式(2)为非线性方程组。其中,[K0]为小位移弹性刚度矩阵；[KL]为初位移矩阵；[Kσ]为初应力刚度矩阵；{d}为节点位移；{F}为等效节点荷载；[KL]和[Kσ]是{d}的函数。对于非线性有限元方程的求解，弧长法是目前最广泛采用的参数控制方法，限于篇幅，本文不对其做进一步阐述。
　　3.有限元建模分析时的考虑因素
　　为准确分析其受力特征，得到准确的内力与变形结果，必须建立恰当的有限元模型，选择合适的计算模型和单元模型。
　　目前，关于输电塔结构设计软件大多采用空间桁架模型，即假设所有连接点均为铰节点、构件都只承受轴向力。采用这种模型的优点是：节点位移数目少，分析过程简单，易于编程，提高计算效率。实际上，对于输电塔架结构，构件节点连接是具有一定刚性的，结构主材一般为连续化构造，刚度大，在构件中产生二阶应力，应按照拉弯或压弯构件进行计算。且输电塔的构件通常为等边角钢，连接时都是在某一肢边上，因而传力是偏心的。在空间桁架模型中往往忽略了以上这些因素。
　　为了考虑输电塔架结构中杆件由于连接刚度节点偏心、以及主材连续化等产生的弯矩二阶应力的影响，分析中应考虑杆件初始缺陷及几何和材料非线性，将主要杆件作为梁单元来分析。
　　来自真型塔的试验研究也说明这种分析的准确性。英国国家塔架试验站早在1979年的一篇报告就指出，输电塔架的真型试验表明，塔架中杆件弯矩的作用有时可能和轴力同样重要，不能简单的加以忽略，线弹性空间桁架法分析结果与试验结果的符合情况往往不能令人满意。根据分别采用空间桁架法和空间刚架法对一个塔架结构进行分析的结果，认为当荷载工况较复杂时，空间刚架法计算结果与试验结果符合得最好[6]。但按空间刚架法分析时，建模过程比较复杂，节点自由度多，计算时间也比较长。所以作者建议在工程设计时，可根据需要选择合适的分析方法。
　　为便于计算，建立有限元模型时，根据铁塔的实际受力特点，只对主材、横担及横隔采用梁单元建模，腹杆作为杆单元，而大量辅助材由于对主要构件的受力无影响或影响很小，不计入模型的单元。这样，模型中所有节点均位于梁单元上，不仅提高了分析的准确性又有效避免了平面节点的出现。这种简化对结构的整体强度不会产生影响，但是会降低相关腹杆的抗弯刚度，可以通过对计算长度的调整来考虑其对相关杆件刚度的影响。
　　以典型的桶型直线塔为例，铁塔单线图及简化后的有限元分析模型如下图：
　　图1铁塔单线图图2简化后的有限元模型图
　　4.结语与展望
　　在极限状态下，对输电塔结构的承载力分析应采用合理的计算模型，并综合考虑各种非线性因素，进行整体结构的非线性分析。目前关于输电塔中运用新材料、新截面及结构形式的研究正在深入开展，今后的研究中，应进一步开展标准化试验研究，并编制相应的规程规范。比如在大跨越输电塔中逐步推广的钢管塔，其构件具有风压小、刚度大，受力合理等特点，有利于提高铁塔在重覆冰等极限状态下的可靠性，且与传统的角钢塔相比，钢管塔在塔重方面也有明显的优势，通常比常规角钢塔要轻10%～20%，这一类的课题研究值得今后广泛开展。
　　参考文献：
　　[1]陈绍蕃，钢结构稳定设计指南[M]，北京：中国建筑工业出版社，1995
　　[2]刘树堂，输电杆塔结构及其基础设计[M]，北京：中国水利水电出版社，2005
　　[3]蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护[M]，北京：中国电力出版社，2002.
　　[4]DL/T5154-2002，架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S]
　　[5]杨靖波，李正，杨风利等，2008年电网冰灾覆冰及倒塔特征分析[J]，电网与水力发电进展，2008，24(4)：4-8
　　[6]F.G.A.Al-BremaniandS.Kitipornchai.NonlinearAnal#p#副标题#e#ysisofTrans-missionTowers,Eng.Struct.,1992,
　　Vol.14(3):139-151
　　[7]SAP2000中文版使用指南[M]，北京：人民交通出版社，2007