风荷载作用下输电铁塔承载性能建模分析

汪 涛,胡国辉,李 琛,彭怀德

(国网江西省电力有限公司经济技术研究院,江西 南昌 330096)

输电铁塔是为电力系统供电的重要设备,一旦损坏可能造成配电网无法正常运行,甚至造成人员伤亡,影响人民的正常生活。目前输电铁塔的高度伴随电力建设的发展不断提升[1]。在风荷载作用下铁塔两侧形成较高的不平衡张力,容易造成失稳损坏,因此分析风荷载作用下输电铁塔的承载性能,具有极高的工程价值[2]。输电铁塔设计时,需充分考虑不同因素对铁塔载荷的影响[3-5],保障输电铁塔运行过程中具备足够的承受荷载的强度[6]。

陈城等[7]针对强风作用下500 kV输电塔线的倒塌情况进行研究,确定了输电铁塔倒塌的风力荷载;卞荣、刘石等[8-9]充分考虑台风对输电塔线的影响,监测了台风情况下输电铁塔的状态变化。

本文将以上研究成果作为理论基础,建模分析风荷载作用下输电铁塔承载性能,利用有限元分析软件建立输电铁塔的有限元模型,进一步分析输电铁塔的承载性能。

1 输电铁塔承载性能建模分析

1.1 输电铁塔有限元模型

梁桁混合模型广泛应用于输电铁塔建模中,其具有计算简单以及建模方便的特点,并且具有较高的计算精度。本文应用梁桁混合模型搭建输电铁塔的有限元模型。

应用ANSYS软件建立输电铁塔的有限元模型,具体流程如下:

1)选取三维梁单元BEAM188模拟输电铁塔的主材与交叉斜材。充分考虑输电铁塔中主材与交叉斜材的拉力、压力、扭力以及剪力等数据,分析输电铁塔在不同情况下的变形情况。设置输电铁塔不同端部的单边约束[10],令输电铁塔角钢材料的搭建方向满足设计要求,降低输电铁塔模拟过程中的误差。

2)选取二维拉压单元LINK180模拟输电铁塔的辅助材料,所建立的有限元模型充分考虑输电铁塔辅助材料拉力以及压力。

3)选取节点耦合方式模拟输电铁塔中设置的交叉斜材联结螺栓。在不考虑输电铁塔斜材的转动约束情况下[11],通过计算令输电铁塔支撑节点在不同方向的线位移相同。

4)设置不同方向的平移自由度与转动自由度作为约束条件,模拟输电铁塔的基础与4个支座之间的连接。

5)将荷载直接施加到输电铁塔支撑节点上,通过施加的风荷载模拟输电铁塔中导线以及节点的受力变化情况[12]。

6)设输电铁塔基础存在过大变形以及破坏情况,利用所构建的输电铁塔模型,模拟地表变形以及地表移动造成的输电铁塔基础位移变化[13],设置输电铁塔转动的约束条件。

1.2 材料模型

输电铁塔的钢材对输电铁塔承载性能影响较大。依据输电铁塔中钢材的非线性特征,模拟钢材理想弹塑性本构关系。

建立输电铁塔模型需设定固定的屈服准则,选取von-Mises屈服准则描述钢材出现塑性变形情况时的应力状态[14]。材料屈服应力表达式如下:

σe-σy=0

(1)

式中:σy与σe分别为屈服应力以及等效应力。

等效应力σe表达式如下:

(2)

式中:σ1、σ2、σ3与σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz分别为主应力与应力分量。

1.3 输电铁塔风荷载计算

计算输电铁塔的风荷载时,仅考虑作用于输电铁塔的自身荷载以及外荷载。铁塔实际应用过程中,并非仅存在以上荷载,还存在风荷载、冰荷载以及绝缘子自重荷载等众多荷载。

输电铁塔的风荷载Ws表达式如下:

Ws=ω0·uz·us·βz·Sf

(3)

式中:ω0为输电铁塔的风荷载标准值,uz为高度为z时的风压高度变化系数,us为基本风压系数,βz为高度为z时的风振系数,Sf为构件受到风荷载作用时的投影面积。

输电铁塔属于典型的高耸结构,风荷载对于输电铁塔影响较大。对输电铁塔进行结构设计时,需要重点考虑风荷载的作用。风力以固定速度运动时,在存在障碍物的情况下,障碍物需接受风的压力[15],所接受的压力即为风压。风振系数是充分考虑风向对输电铁塔作用时静力以及动力的重要系数,作用于输电铁塔的风振系数表达式如下:

βz=1+ξε1ε2

(4)

式中:ε1为受风压高度以及风压脉动影响的系数,ε2为受结构外形以及振型影响的系数,ξ为脉动增大系数。

应用ANSYS软件建立输电铁塔的有限元模型时,输电铁塔通过节点接受外荷载施加的力。输电铁塔的导线以及地线的荷载直接加载于输电铁塔挂线点中,输电铁塔各杆件受到的风荷载转化为各杆件两端节点的力。

2 模拟分析

选取增量加载方法分析风荷载作用下输电铁塔的承载性能。增量加载方法指在输电铁塔加载点上基于设计荷载成倍加载,直至输电铁塔为破坏状态,无法继续加载为止。结构破坏前的荷载即输电铁塔的极限荷载。选取型号为1D11-SZ3的鼓形输电铁塔作为模型建立的原型,输电铁塔总高度为49.7 m,输电铁塔标高为38 mm,塔身横截面的最大宽度为6.5 m。

输电铁塔主材采用Q345等边角钢,输电铁塔材料的性能参数见表1。

表1 输电铁塔材料性能参数

输电铁塔电压为220 kV,水平档距以及垂直档距分别为450 m以及650 m。

2.1 仿真模型构建

应用本文方法构建的输电铁塔有限元模型包含的单元数量为1 854个,节点数量为754个。所构建输电铁塔有限元模型部分截图如图1所示。

图1 输电铁塔有限元模型

由图1可以看出,所建立的有限元模型坐标系为笛卡尔直角坐标系。X、Y、Z轴分别表示输电铁塔线路水平方向、垂直线路方向以及铅直方向,所建立输电铁塔模型正方向为向上方向。

2.2 风荷载计算

2.2.1输电铁塔风荷载

将所构建的输电铁塔模型划分为10个塔段,不同塔段在不同风向时的风荷载统计结果见表2。

表2 输电铁塔风荷载

由表2可以看出,本文方法可以有效建立输电铁塔的有限元模型。对所建立的输电铁塔模型施加风荷载时,可以将风荷载标准值平均分配至输电铁塔不同塔段的各个节点上。这是因为本文方法选取节点耦合方式模拟输电铁塔中的联结螺栓,可以均匀分配荷载。

2.2.2导线、地线风荷载

不同风向时,输电铁塔的导线与地线风荷载结果见表3。

表3 导线与地线风荷载

水平方向以及重力方向的风荷载分别表示地线与导线作用于输电铁塔的水平力以及竖直力,风向对输电铁塔施加的力分布于输电塔横梁与地线和导线的连接节点中。建模分析风荷载作用下输电铁塔承载性能时,不考虑平衡张力情况。

2.3 位移测试

2.3.1水平位移与支座位移的关系

设置模拟过程中加载风荷载的风速分别为20 m/s以及30 m/s,此时通过模拟获取的输电铁塔主材节点位移变化情况如图2所示。

图2 水平位移与支座位移间的关系

由图2模拟结果可以看出,风速为20 m/s以及30 m/s时,所构建的输电铁塔模型塔顶存在水平位移。风速为20 m/s时的最大水平位移为23.8 mm,风速为30 m/s时的最大水平位移为33.4 mm。所构建输电铁塔模型的塔顶仅存在少量顺位移,风速为20 m/s时的最大顺位移仅为1.5 mm;风速为30 m/s时的最大顺位移仅为2.8 mm。综合分析可知,风荷载作用下,输电铁塔不存在扭转变形情况。

2.3.2塔顶位移与高程位移

充分考虑输电铁塔导线与地线对其作用的水平力与竖直力,同时考虑输电铁塔自重,利用所建立的输电铁塔模型模拟不同风向时,输电铁塔塔架的塔顶位移以及高程位移变化情况,明确风荷载对输电铁塔承载性能的影响。设置风速为20 m/s,不同风向工况下模型塔顶位移结果如图3所示。

图3 塔顶位移

由图3可以看出,风向为60°时,所构建输电铁塔的塔顶位移明显高于其他风向位移,但塔顶位移低于400 mm。

风速为20 m/s时,不同输电铁塔分段下,输电铁塔高程位移见表4。

表4 高程位移

分析表4可知,风向为60°时,输电铁塔的高程位移最大为374.13 mm。《高耸结构设计规范》中明确规定,风荷载作用下输电铁塔由弹性形变引起的塔顶位移与塔高比值应该低于1/75。通过分析可知,本文方法建立的高度为49.7 m的输电铁塔水平位移应低于662.67 mm。综合分析图3、表4模拟结果可知,所建立的模型在不同风速和风向下,塔顶位移和高程位移均满足规范限制要求,具有较高的模拟有效性,适用于分析风荷载作用下输电铁塔弹性位移变化情况。这是因为本文以220 kV的典型输电塔为原型,应用ANSYS有限元软件,自底向上建立输电铁塔有限元模型,保证了模拟基础数据的真实性和准确性。

2.4 应力模拟结果

输电铁塔斜材受到破坏时,输电铁塔安全性能受到影响。输电铁塔支座以及铁塔结构在不同风速作用下,交叉斜材失稳是输电铁塔破坏的主要形式。模拟风速分别为10 m/s、20 m/s、30 m/s情况下,输电铁塔最先受到破坏的斜材位移与应力变化结果如图4所示。

图4 不同风速轴向平均应力

由图4可以看出,输电铁塔的支座加载风荷载前为受压状态。伴随输电铁塔支座位移不断增加,不同风速下的斜材应力变化规律相似,均为轴向压应力缓缓增加随后减小。支座位移变化至20 mm左右时,该斜材承受的压应力较大,伴随支座位移进一步提升,斜材仍处于偏心压杆的极值点失稳破坏状态。风速为10 m/s、20 m/s、30 m/s情况下,支座水平位移分别为23.85 mm、18.45 mm以及16.11 mm。模拟结果表明,输电铁塔抵抗地表结构变形的水平受风荷载影响,所施加风荷载越高,输电铁塔抵抗变形的水平越差。

模拟不同风荷载作用工况时,输电铁塔的极限承载力见表5。

表5 不同工况下的极限承载力

表5中Pd为设计荷载。由表5可以看出,风向为60°时,输电铁塔具有最小的极限承载力,塔头所承受的力小于塔身所承受的力。根据图4和表5的模拟结果可以看出,本文方法可以有效模拟输电铁塔受风荷载作用下的承载性能,获取不同风荷载下输电铁塔的承载力。这是因为本文方法应用三维梁单元模拟输电铁塔主材与交叉斜材,选取节点耦合方式模拟输电铁塔中联结螺栓,建立的输电铁塔模型与实际情况极为接近,以加载方式获得的输电铁塔承载性能分析结果准确性高。

3 结束语

本文建立了输电铁塔有限元模型,模拟输电铁塔在不同风荷载工况下变形以及受力分布,明确输电铁塔的承载性能。模拟结果表明,伴随风荷载的增大,输电铁塔存在屈曲破坏的情况,地表结构变形水平也随之提升。