大跨越钢管塔的弯矩效应研究

大跨越钢管塔的弯矩效应研究

(山东电力工程咨询院有限公司山东济南250013)

摘要:大跨越钢管塔是特高压输电线路的关键部分,一旦发生事故,不但会造成巨大的经济损失,还会产生一定的社会影响。因此,确保其安全性尤为重要。采用大型有限元分析软件ABAQUS,对某1000kV特高压交流工程大跨越钢管塔进行分析,研究了杆端弯矩对基础反力和杆件应力的影响,为今后大跨越钢管塔的设计提供依据。

关键词:大跨越;钢管塔;弯矩效应;基础作用力;杆件应力

1引言

随着国民经济的快速增长,目前国家正处于特高压输电线路的快速发展中。采用特高压输电时,输电线路的工程规模趋于大型化,输电塔结构形式复杂多变,塔高大幅增加,工程造价指标大大提高。特高压输电线路有时需要跨过大江、大河,此时需要架设大跨越输电塔。大跨越塔是特高压输电线路的关键部分,一旦发生事故,不但会造成巨大的经济损失,还会产生一定的社会影响[1-2]。因此,确保其安全性尤为重要。

2杆塔计算模型的假设

目前,国内进行铁塔设计时一般采用TTA或者道亨软件进行计算,这些软件采用的是铰接空间桁架计算理论,即架设节点约束为铰接,杆件只承受轴力不承受弯矩,忽略弯矩的影响。计算模型单元采用桁架单元,每个节点具有三个平动自由度。对于角钢塔而言,各个构件采用螺栓连接,节点刚度较小,其构件除拉、压轴力之外,其他内力影响几乎可以忽略,因此分析模型与实际情况较为一致。然而,对于大跨越钢管塔而言,尽管钢管塔也是三维空间塔架结构,但相比角钢塔而言,钢管构件规格大、主材法兰连接、节点板较厚及连接螺栓多等特点使得全塔构件焊接的连续性、构件接头及节点板刚性都强于角钢塔,杆件端部受到很大的嵌固作用,限制杆件间夹角的变化,造成杆件弯曲,由此产生的杆弯矩具有二阶效应,称为次弯矩。理论上而言,钢管塔的计算模型单元更接近于梁单元,每个节点包含三个平动自由度和三个转动自由度。为了确保大跨越输电塔的安全性,进行设计时需考虑杆端弯矩的影响[3-6]。

3大跨越钢管塔弯矩效应分析

3.1分析模型的建立

采用的分析模型来源于某1000kV交流特高压输电线路工程,该线路为同塔双回路架设。该工程包含一个黄河大跨越段,长度为2×3.4公里,跨河方式采用耐-直-直-直-耐,跨越段共有3基双回路直线塔(其中1基为SKT1,2基为SKT2)和4基单回路锚塔(均为MT1)。直线塔SKT1和SKT2均为钢管塔,呼高分别为71m和135m,总高分别为140m和204m,塔身变坡下部塔身坡度均为12°。锚塔MT1为角钢和钢管混合塔,呼高为48m,总高为81m。本文以高度最高的直线跨越塔SKT2为分析模型进行钢管塔的弯矩效应分析。

采用大型有限元分析软件ABAQUS软件进行分析,所有构件均采用梁单元进行模拟,每个节点包含3个平动自由度和3个转动自由度。按照杆塔设计规范进行荷载组合,计算导(地)线节点荷载,将计算出的导(地)线节点荷载(考虑了结构重要性系数的数值)、道亨软件计算出的塔身风荷载和竖向荷载施加到塔体上,确保与采用道亨软件施加的荷载一致,腿部(A、B、C和D)采用固定端约束。

3.2弯矩效应对基础作用力的影响分析

对于大跨越直线铁塔而言,大风工况为控制工况。对于大跨越直线铁塔而言,60°大风控制了腿部主材等很多构件的选材,控制了基础作用力的大小。这里对铁塔进行非线性分析时,仅考虑60°大风工况。大型有限元软件和道亨软件计算得到的基础作用力如表3.2-1~表3.2-4所示。

由分析结果可以看出,A腿为压腿,D腿为拉腿。考虑弯矩效应后,基础最大下压力增大了2.53%,最大下压力对应的两个水平方向水平力分别增大3.49%和5.35%。最大上拔力增大了0.89%,最大上拔力对应的两个方向水平力分别增加3.76%和5.81%。对于B腿而言,考虑弯矩效应后,竖向力减小了6.99%,两个方向的水平力分别减小了7.55%和59.17%。对于C腿而言,竖向力增加了3.45%,两个方向的水平力分别增加了1.06%和11.90%。采用道亨软件进行分析时,由于采用的单元类型为桁架单元,基底弯矩为0。采用ABAQUS软件时,采用的单元类型为梁单元,存在基底弯矩。基底弯矩在数值上比水平力低一个数量级,一般不影响基础设计。

进行基础设计时,基础作用力采用的是A腿的下压力和D腿的上拔力。一般而言,最大下压力控制基础的尺寸。对于本工程而言,A腿的基础作用力控制基础的工程规模。根据相应的基础设计规范,最大下压力控制基础的桩长和桩径的大小,对应的水平力控制桩径的大小。因此,考虑弯矩效应后,基础的工程量有一定的增加。如果采用桁架单元分析杆塔,进行基础设计时宜留5%的余度。

3.3弯矩效应对构件应力的影响分析

采用道亨软件进行内力计算时,可得到各个构件的轴力,将轴力除以截面面积可得到截面的正应力,忽略了弯矩的影响,在一些情况下会影响结构安全。采用ABAQUS软件进行计算时,每个截面上有轴力和弯矩,两者均贡献一部分正应力。结构的应力云图如图2所示。图中A1、A2、A3和A4分别代表腿部压应力最大的主材、拉应力最大的主材、压应力最大的腿部斜材和拉应力最大的腿部斜材,B1、B2、B3和B4分别代表腿部主材上部节间压应力最大的主材、拉应力最大的主材、压应力最大的斜材和拉应力最大的斜材。C1和C2代表变坡下部节间压应力最大主材和拉应力最大主材,D1和D2代表变坡上部节间压应力最大主材和拉应力最大主材。E1和E2代表下横担压应力最大主材和拉应力最大主材,F1、F2代表中横担压应力最大主材和拉应力最大主材,G1和G2代表上横担和地线支架压应力最大主材和拉应力最大主材。

图3.3-1SKT2大跨越直线塔应力云图

弯矩对构件应力的影响如表8所示。由分析结果可以看出,考虑弯矩效应后,腿部主材的最大压应力增大了6.72%,最大拉应力增大了9.77%,腿部斜材的最大压应力增大16.0%,最大拉应力减小了2.9%;塔腿上面半个节间主材的最大压应力和拉应力变化不明显,均在5%以内,斜材的最大压应力变化极为明显,达到了31.8%,斜材的最大拉应力变化不明显,在5%以内;变坡以下节间主材的最大压应力提高了6.25%,最大拉应力提高了12.3%;变坡以上节间主材的最大压应力提高了17.9%,最大拉应力提高了18.0%;下横担和中横担主材的最大应力均减小,设计中可不予考虑;对于上横担和地线支架而言,考虑弯矩效应后,主材的最大压应力提高了17.5%,最大拉应力提高了11.5%。

可以看出,对于近似垂直于塔身主材的横担主材,考虑弯矩效应后,最大应力未产生明显变化,且最大应力减小,设计中可以不考虑弯矩效应。对于本塔而言,变坡位置和上横担与塔身连接的横担主材受弯矩影响极为明显,设计中需特别注意。这两个位置的共同点为,主材的轴线方向发生了变化。因此,进行杆塔设计时,坡度发生变化的部位需特别注意,应进行弯矩效应分析或者留有足够余度。对于塔腿主材,弯矩对主材最大应力的影响也较为明显。对于塔身斜材而言,弯矩对构件的最大应力影响很明显。然而,钢管塔设计中需要考虑构件的微风振动效应,构件的长细比控制地较为严格。因此,塔身斜材的选材一般由长细比控制,不由内力控制。

4结论

通过运用有限元分析软件对大跨越直线塔进行分析,研究了弯矩对大跨越铁塔基础作用力及其杆件应力的影响,得到以下结论:

(1)考虑弯矩效应后,基础最大下压力和最大上拔力略微增加,幅度在5%以内,起控制作用的水平力最多增加了5.35%,进行铁塔基础设计时需留有5%的余度来确保基础的安全.

(2)对于近似垂直于塔身主材的横担主材,考虑弯矩效应后,最大应力未产生明显变化,且最大应力减小,设计中可以不考虑弯矩效应。

(3)对于坡度发生变化的主材,弯矩效应极为明显,考虑弯矩效应后,主材最大应力增大10%-20%,进行杆塔设计时需特别注意。

(4)对于腿部主材而言,弯矩效应较为明显,考虑弯矩效应后,腿部主材的最大压应力和最大拉应力分别增大了6.72%和9.77%,进行杆塔设计时需特别注意。

为确保大跨越工程的安全性,进行大跨越杆塔和基础设计时应考虑弯矩效应。

参考文献

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