330kv输电塔架桁梁混合有限元分析

330kv输电塔架桁梁混合有限元分析

1风荷载作用下结构极限承载力称重塔架是一个重要的生命线电能工程装置。随着电压等级不断提高,输电线路塔架的高度和档距也随之增加,输电塔架所受到的风荷载越来越大,而对于输电塔架而言,除了自重及导地线荷载之外,风荷载是结构最重要的外荷载。尤其对直线塔而言,风荷载在所有荷载组成中所占的比重更大,因此对输电塔结构在风荷载作用下结构的极限承载力深入研究显得尤为重要,这样才能更加准确地确定结构安全储备值,这也直接影响着输电线路的安全性和经济性。作者选取了西宁地区一座330kv紧凑型输电塔架为实例模型,利用有限元分析软件ANSYS对其极限承载力进行分析,并描述了塔架在超载情况下结构的破坏过程。2kv东南角直塔在本文研究过程中,选取吉林地区一座单回路330kV紧凑型直线塔作为实例模型来研究输电塔架。该塔呼称高41m,总高44m,其三相导线呈倒三角形排列,单线图及几何尺寸如图1所示。3塔架结构有限元分析1)ANSYS程序中的有限元模型采用ANSYS有限元分析软件建立实例塔架的桁梁混合有限元力学模型,其中空间单元采用Beam188单元模拟,空间杆单元采用Link8模拟。模型中弦杆和主腹杆取为空间梁单元,次辅杆取为空间杆单元,没有删除任何辅助杆件,其中梁单元的截面方向严格按照设计施工图中的布置来建模。该模型共用了616个节点和1454个单元,其中杆单元583个,梁单元871个。分析时考虑了几何非线性和材料非线性。材料采用Q235钢和Q345钢,计算时两种钢材均采用了材性试验实测的材料弹性模值E和屈服强度值(E=2.06×105MPa,fy=235MPa,fu=375MPa;E=2.06×105MPa,fy=345MPa,fu=510MPa),材料假定为弹塑性材料,服从Von-Mises屈服准则,材料塑性按多线性等向强化考虑(如图2、图3所示),将牛顿-拉斐逊(Newton-Raphson)和线性搜索技术(LineSearch)、应用预测(Predictor)自适应下降(AdaptiveDescent)等加速收敛技术有机结合,建立非线性平衡求解方法。收敛准则为位移及不平衡节点力收效准则。2)加载方法为了计算塔架的整体稳定承载力,本模型采用增量加载方式,在设计荷载的基础上继续在各个加载点上施加荷载,所有加载节点Z方向的荷载保持不变,X,Y方向的荷载以线性方式按比例增加,直到铁塔破坏,程序无法收敛为止。这时候结构所能承担的最大荷载即可认为是塔架的稳定极限荷载,它以设计荷载的倍数形式出现。即为n·Pd,n为荷载倍数,Pd为设计荷载。4塔架强度破坏与塑性应变的过程分析1)塔架顶点全过程位移分析从图4中可以看出,结构的顶点荷载步-位移曲线与前面定义的钢材应力应变曲线很相似。结构在不断增加的荷载作用下,表现出明显的弹性和塑性性质。仔细分析发现,结构在荷载步2.98Pd作用以前,荷载与位移基本上成一条直线,结构由此可分为弹性和屈服阶段。弹性阶段从荷载步0Pd~2.98Pd,在这个阶段,荷载与变形基本成正比变化,符合虎克定律,在图中近似表现为一条斜直线。从后面的主材受力可以看出,结构的杆件没有发生屈服,可以认为结构在2.98Pd荷载步是达到整体弹性荷载。屈服阶段从荷载步2.98Pd~3.11Pd,在这个阶段,作用在结构上的荷载与变形不成正比变化,位移在小增量荷载作用下迅速变大,结构的塑性性质非常明显。从主材受力表(见表2)可以看出,塔架的某些杆件已经达到或超过屈服强度,当达到3.11Pd时,计算已不能收敛,说明结构的整体刚度发生变化,结构整体丧失稳定承载力而破坏。因此,可以认为塔架结构在该荷载工况下的极限承载力为3.11Pd,此时顶点的总位移为0.91m。2)塔架强度破坏与塑性变形全过程描述从受拉应力、应变表(见表2、表3)可以看出:在荷载步2.98Pd时,受拉主材没有出现超过材料屈服应力的情况。此时的最大拉应力为330.2MPa。在荷载步2.99Pd时,杆件263和杆件264的应力超过材料屈服应力,分别为347.8MPa、346.9MPa。同时,它们依次出现塑性变形,最大塑性应变出现在杆件263处,应变值为4.0e-5。在荷载步3.10Pd时,大部分受拉主材的应力超过材料屈服应力,最大值为357.9MPa,出现在杆件263处。同时,有更多受拉主材出现塑性应变,最大塑性应变杆件仍然是263,应变值为4.6e-3。在荷载步3.11Pd时,下曲臂以下几乎所有受拉主材的应力超过屈服应力,最大应力值为365.4MPa,出现在杆件264处。此时,几乎所有的受拉主材也出现了塑性应变,最大塑性应变值为2.0e-2,出现在263和264处。由此可知,在该荷载工况下,杆件263和264是受拉主材中最危险杆件。从受压应力、应变表(见表4、表5)可以看出:在荷载步2.98Pd时,受压主材没有出现超过材料屈服应力的情况,结构处于完全弹性工作阶段。此时的最大压应力为340MPa。在荷载步2.99Pd时,杆件271和272的应力超过材料屈服应力,分别为351.4MPa和350.3MPa,并且产生了塑性应变,其值分别为-4.1e-4和-3.6e-4,说明这两根杆件已开始失稳。此时结构的整体刚度发生变化,但由于考虑了几何非线性,结构模型仍然能够继续计算。在荷载步3.10Pd时,有越来越多杆件的应力超过材料的屈服应力并进入塑性阶段,最大的应力366.2MPa,最大的塑性应变为-2.0e-2,发生的杆件为271,和其刚开始失稳时的塑性应变相比,其值约增大了200倍。在结构破坏荷载3.11Pd时,下曲臂以下的几乎所有受拉主材超过屈服应力和出现塑性应变,此时还是271杆件的应力和塑性应变最大,分别为370.4MPa和-3.2e-2。同时杆件开始失稳破坏,导致结构整体刚度出现奇异,结构在下一个荷载步中结构整体失稳破坏,计算无法收敛。5极限荷载通过对塔架结构在0°大风工况下