特高压输电钢管塔双重非线性分析.pdf

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1、第46卷第2期西安建筑科技大学学报(自然科学版)、bl_46NO．22014年4月J．Xi’anUniv．ofArch．&Tech．(NaturalScienceEdition)Apr．2014特高压输电钢管塔双重非线性分析王辉r，汪楚清，薛建阳1，赵雪灵4(1．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；2．宁夏建设职业技术学院，宁夏银川750021；3．宁夏回族自治区电力设计院，宁夏银Jil，750001；4．中国电力顾问集团西北电力设计院，陕西西安，710075)摘要：输电铁塔通常被简化成桁架结构并采用线弹性和小变形分析方法进行设计，而特高压输电铁

2、塔结构柔度大、负载高、杆件连接复杂，若仍按线弹性分析不能准确反映其真实的受力情况．采用有限元分析方法建立铁塔空间梁杆混合模型，单元模型中考虑几何非线性和材料非线性的双重影响，并与在设计荷载下的真型塔试验对比验证了模型的正确性．分析结果表明，按线弹性和小变形法设计的特高压输电铁塔安全裕度过大、浪费材料，应考虑几何非线性、材料非线性及端弯矩对结构受力性能的影响．最后对铁塔主材的应力计算及次应力分布特点进行分析，为评估特高压输电塔的承载力提供参考设计建议．关键词：输电铁塔；几何非线性；材料非线性；极限承载力；次应力中图分类号：TU392_3文献标志码：A文章编号：10

3、06—7930(2014)02．0210．07输电塔作为复杂的空间超静定结构，受力分析复杂，因此目前对其分析及设计基于以下几点假设：1)被简化成空间桁架结构，即所有构件视为杆单元，各构件间的连接视为铰接，只考虑轴力的作用；2)铁塔变形处在小变形范围；3)在不同工况下各构件始终为线弹性变形，即基于线弹性理论进行分析．在杆塔荷载和变形小的情况下，按线弹性理论进行分析是合理的．然而，特高压输电铁塔高度大，承受的荷载也越来越大，按照目前的分析方法往往使得计算结果同结构的实际受力情况有较大的偏差L1J，主要表现在：1)空间桁架模型的节点为铰接，而广泛应用于特高压输电线路的

4、钢管塔节点多采用插板或法兰连接，不能按铰接处理，实际上桁架杆件在节点处受到很大的嵌固作用，节点将产生较大的弯矩，由此产生的杆弯矩具有二阶效应，称为次弯矩，相应的应力称为次应力，如果不考虑次应力对输电塔结构的影响，可能会使钢管塔的设计偏于不安全；2)特高压钢管塔高跨比很大，在高荷载作用下，大变形将引起结构受力情况的变化；3)作为高次超静定空间结构体系，塔架结构在实际受力时，各杆件之间存在着相互制约和影响，某些杆件的某个截面的屈服并不会导致整个结构遭到完全破坏，只有屈服的杆件数量及位置达到一定的程度，才能使得结构遭到完全破坏，如果仅按目前将所有杆件控制在弹性范围的设

5、计方法将造成钢材的浪费．因此塔架结构的受力分析，除了应考虑塔架结构的材料和几何非线性，还需考虑次弯矩的影响J．国内外学者利用有限元分析方法对考虑了双重非线性的角钢塔进行了非线性分析，并与实际杆塔运行情况进行了对比J，但均侧重于承载力、破坏模式分析，未对次应力的影响及分布特点进行研究．李茂华等通过有限元计算研究了次应力分布规律及影响因素J，但其应力值按理想梁杆单元有限元模型得出，其理论计算得到的应力不够精确．帅群等研究了斜材和主材之间的夹角对特高压钢管塔主材次应力的影响，韩军科等通过对6基特高压钢管塔分析拟合得到次应力与长细比的关系曲线u⋯．对于次应力的计算，以上

6、学者的计算模型非线性不够明显，没有对在非线性状态的铁塔次应力展开研究．考虑杆件端弯矩的影响，可采用的有限元模型有梁杆混合模型和刚架模型．梁杆混合模型塔身主材、横担主材、交叉斜材及横隔面杆件采用梁单元，其余杆件采用杆单元，而刚架模型所有构件均为梁单元．已有研究结果表明梁杆混合模型计算结果与试验结果接近【1．本文基于有限元分析软件ANSYS，采用梁杆混合模型，考虑几何非线性和材料非线性的双重影响，对铁塔的弹塑性极限承载力和次应力在线性和非线性状态的分布特点及发展规律进行分析研究．1有限元模型的建立与验证本文以1000kV淮南-上海(皖电东送)输变电工程中的直线塔SZ

7、322P钢管塔为分析对象，该塔由钢管与角钢组成．塔腿及塔身主材均由Q345钢管组成，斜材和附属材料由Q235钢管或角钢组成，呼高63m，全高110．7m．SZ322P的设计条件为：a)导线采用8×LGJ．630／45钢芯铝绞线，地线采用JLB240铝包钢绞收稿日期：2013—10．12修改稿日期：2014．04—09基金项目：国家自然科学基金资助项目(11172226)；陕西省重点科技创新团队项目(2014KCT-31)作者简介：王辉(1978-)，女，讲师，博士生．主要从事钢结构及组合结构方面的研究．E—mail：583962357@qq．tom西安建筑科技大

8、学学报(自然科学版)第4