输电杆塔结构受力线性及非线性设计分析

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1、山东电力技术1998年第2期(总第100期)输电杆塔结构受力线性及非线性设计分析LinearandNon-linearDesignAnalysisofPowerTransmissionTowerStructure(430072)武汉水利电力大学喻明志龙小乐鲍务均摘要根据输电线路铁塔结构受力特点,运用有限元方法,采用满应力设计准则,分析了铁塔中常用的钢结构及拉索两类线性及非线性单元的受力情况,提出了设计这类专用软件的有效方法。关键词有限元非线性空间桁架内力分析AbstractThispaperanalyzedthesteeltowerandcable

2、towerlinearandnon-linearstressstateaccordingtotheirstructurefeature,togetherwithadoptionthefull-stressdesignprincipleandfiniteelementtheory,anditalsoprovidedanefficientresolutiontodesignthespecialsoftwareusedinthetransmissiontowerstressstateanalysis.KeyWordsFiniteElementTheory

3、NonlinearStressAnalysisThreeDimensionalTruss矩是不大的,因此将铁塔作为理想的桁架进1问题的提出行分析,即认为铁塔由笔直的杆件或拉索组用有限元方法分析输电线塔是分析铁塔成,节点为铰接,在荷载作用下仅产生节点位在六种载荷情况作用下的内力,并根据分析移,以及杆件的拉力或压力和拉索的张力。因结果提出输电铁塔的最优结构。它是目前在而,在实际分析设计中将输电线塔处理为空工程实际中使用的一种有效方法。但由于输间桁架结构。根据软件处理对象的不同,一般电铁塔的结构特点及其它受力的复杂性,现可以将它划分这三个部分,也即三个模

4、块。因在使用的这类专用软件存在着输入数据量大此,软件按模块化设计方法,设计为三大模和处理具有非线性单元的结构不准确的问块,每个模块均可独立运算,它们之间通过文题。尤其对于小应变大变形这类几何非线性件系统结合为一个系统。如图1所示。单元的处理,有时还要依靠人手工协助完成。前处理g文这就增加了设计分析的不确定性因素及人的件有限元分析←文件库工作量。因而设计一个具有分析线性与非线系性结构单元以及良好的输入输出界面的工程后处理h统软件是很有实际意义的。基于这些考虑,设计图1一个具有简单明了的前处理部分以及具有完2.2前处理的设计特点全的线性与非线性分析的结

5、构设计分析软件根据有限元设计分析要求,前处理由四是本课题的关键。本文针对问题的重点及难大信息部分组成,即(1)结构信息,包括节点点提出了设计这种专用软件的行之有效的方单元坐标信息;(2)材料信息;(3)荷载信息;法。(4)边界条件信息。由于铁塔结构具有很好的对称性,因此,本软件根据常用铁塔的结构划2设计方法与非线性设计数学模型分为塔腿输入、塔身输入、塔臂输入三种情2.1输电塔结构分析软件特点况。利用各自的特点建立相应的文件库。通过由于自立式或拉线式铁塔受结构偏心荷输入少量的控制信息,程序即能自动对铁塔载、及杆件上的侧向风荷载等因素引起的弯的节点进行

6、编号,并同时生成各节点的空间39山东电力技术1998年第2期(总第100期)2坐标及杆件的几何数据。对于输电杆塔的两5UL[KL]=[]类常用材料(16Mn钢和A3钢),将各自的弹5Di5Dj性模量、长细比、截面面积等组成顺序文件。2通过输入材料代号,即可与各杆件的材料相5UNL及:[KNL=[](5)5Di5Dj对应,从而自动完成材料信息准备工作。通过[KNL]-由应变一位移关系中的非线性项引以上改进工作,可以大大减少数据准备工作,且准确度高。起,为D的函数。2.2.1自动生成节点设计方法由(1)、(2)、(3)、(4)可得到结构非线性由于铁塔具

7、有一定的对称性,因此通过平衡方程:5UNL几个横向面,几个纵向面和几个横隔面就可[KL](D)+()=(R)(6)5D以描述整个铁塔结构。利用它的对称性,我们对方程(6)采用修正的牛顿一纳费逊迭可以给出一些基准节点和基准节点坐标来由代解法即可求出相应的位移。也就可以解出程序生成一些节点和单元,然后由程序根据对应杆件的内力值。在计算实现上,我们采用所输入的信息自动连成杆件,从而减少了数FORTRAN语言编的算法程序实现。据的直接输入工作量。对于结构的几何非线性分析可以归结为2.3处理非线性单元的数学模型及各自特外力与内力的平衡方程,它是关于节点位移点

8、的非线性方程。非线性分析也就是将系统的由于铁塔结构一般由角钢组成的桁架结平衡方程根据系统的非线性特性不断地进行构,或由拉线