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1、第6期(总第157期)山西电力No.6(Ser.157)2009年12月SHANXIELECTRICPOWERDec.2009大跨越输电塔极限承载力的双重非线性分析孔伟,李华,杜启收(东北电力大学建筑工程学院,吉林吉林132012)摘要:通过考虑几何非线性和材料非线性来研究结构大变形以及材料强度富裕度对输电塔承载能力的影响,利用逐步加载的方式对某大跨越输电塔进行极限承载力分析,得到了荷载步位移曲线以及极限承载力,分析结果表明所用方法是合理的,进行弹塑性分析更能接近输电塔实际结构的承载能力。关键词:大
2、跨越输电塔;极限承载力;几何非线性;材料非线性;荷载步位移曲线中图分类号:P315文献标识码:A文章编号:16710320(2009)06000503输电塔结构的极限承载力除了导地线和自重荷则,会很容易收敛,但此时不平衡力可能较大。因[3]载外,主要受风荷载控制。目前塔架的内力计算,此,本文采用不平衡力收敛准则,ii在工程界普遍采用小变形和线性弹性材料假定,按F2!0F2,空间桁架位移法计算结构内力。大跨越输电塔结构i式中:F2某级荷载作用下经i次迭代后型式及构造复杂,属于空间高次超静定
3、结构,某一的节点不平衡力列阵的2范杆件的破坏并不能导致整个结构的破坏,只有当杆数;件破坏达到一定数目使得结构不能再承受荷载,这Fi2某级荷载作用下经i次迭代时[1]个结构才算破坏。并且由于其高耸、柔性性质,总外荷载列阵的2范数;在荷载作用下,具有明显的非线性行为,故对其准0预先设置的收敛精度。确的力学分析应考虑非线性。1.3材料非线性[4]1非线性理论在非线性中一般遵循三个准则:屈服准则,强[2]化准则,流动准则。屈服准则的值有时候叫做等效1.1考虑几何、材料双重非线性的增量平衡方程应力。通用的
4、屈服准则是VonMises屈服准则,当[Kep]+[K]{u}={F},等效应力超过材料的屈服应力时,将会发生塑性变式中:[Kep]弹塑性切线刚度矩阵;形。流动准则描述了发生屈服时候塑性应变的方[K]几何刚度矩阵;向,也就是单个塑性应变分量是如何随着屈服发展{u}节点位移增量向量;的。一般来说,流动方程是塑性应变由屈服面发展{F}等效外荷载增量向量。的屈服准则中导出来的,若塑性流动出现在垂直于本文采用牛顿-拉普森平衡迭代法求解非线性屈服表面方向,则推导出的流动准则叫作相关流动方程组,在
5、每次迭代时重新形成刚度矩阵,计算量较准则。本文采用VonMises屈服准则以及相关流动大但收敛速度快,适合于计算非线性问题。准则。1.2考虑几何非线性的收敛准则对于刚度较大的结构,如果采用位移收敛准2计算模型收稿日期:20090904,修回日期:200909302.1有限元模型建立作者简介:孔伟(1965),女,吉林省吉林人,2001年毕业于本文采用有限元软件ANSYS建模进行分析研东北电力大学结构工程专业,硕士,教授;究,塔高134.8m,呼程高113m,基准最大设计李华(1983),男,山西大同
6、人,2010届东北电力大风速为35m/s,塔材用Q235和Q345钢,材料强学结构工程专业,硕士研究生;杜启收(1981),男,山东临沂人,2010届东北电力大度为0.9倍许用值。塔主材用Beam189单元模拟,学防灾减灾工程及防护工程专业,硕士研究生。其余杆件用Link8单元模拟。∀5∀分析与探讨山西电力2009年第6期2.2荷载计算铁塔的自重荷载通过输入重力加速度来实现,导地线荷载经过专门的程序转换成ANSYS的内容,转换后的荷载加在相应节点
7、上。塔身风荷载按照不同高度风振系数取值的不同分为30段。每段的风载标准值按照大跨越设计规定计算,90#,60#,45#和0#风向的风载按分配系数分别分配到[7]图160#大风顶点荷载步位移曲线X,Y轴上(表1),分配系数根据大跨越输电杆塔取值。从图1中可以看出,结构在不断增加的荷载作表1不同角度风吹时塔身及横担风荷载分配表用下,表现出明显的弹性和塑性性质。风向塔身风荷载水平横担风荷载a)0~1.38P:弹性阶段。荷载与变形几乎成角XYXY正比,表现为一条斜直线,此时1.38P可认为是0#0Wsb0Wsc45#0.4
8、24(Wsa+Wsb)0.424(Wsa+Wsb)0.4Wsc0.7Wsc结构整体的弹性极限荷载。0.747Wsa+0.747Wsb+b)1.38P~1.60P:屈服阶段。此时荷载与60#0.4Wsc0.7Wsc0.249Wsb0.249Wsa变形不成正比,变形增加加快,塔架某些杆件已开90#Wsa00.4Wsc0始
