风载荷下避雷针塔静态受力分析

2016-01-14马崇,程明,陈韶瑜等

河北电力技术 2015年1期

风载荷下避雷针塔静态受力分析

马崇1，程明1，陈韶瑜1，张兆凯2

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072)

摘要：针对长期服役的避雷针塔存在倾倒安全隐患问题，提出采用有限元分析法对避雷针塔进行静态受力分析，在分析过程中采用实体单元进行建模，建模工作在软件pro-e中完成，并应用Abaqus对模型进行受力分析，计算结果表明该受力分析与实际受力情况基本吻合。

关键词：避雷针塔；应力；模拟

收稿日期：2014-01-16

作者简介：马崇(1972—)，男，高级工程师，主要从事无损检测等方面的研究工作。

中图分类号：TH112

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2015)01-0052-03

Abstract：Aim at the tower Installing by lightning rod having incline problem, put forwards using Finite Element Analysis implementing static force analysis ，in the analysis process by using solid element modeling, modeling work done in software PRO-E. Application of Abaqus to the lightning rod model for force analysis, the calculation results show that the stress analysis and the actual stress is more consistent with practical application value.

Lightning Rod Tower Static Force Analysis Under the Wind Loads

Ma Chong1，Cheng Ming1，Chen Shaoyu1，Zhang Zhaokai2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Corporation, Tianjin 300384, China;2.School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Key words：lightning rod tower; stress; simulation

目前，某地电力公司有一批变电站避雷针塔已经服役20年，针对长期服役的避雷针塔存在倾倒的安全隐患。变电站中的避雷针塔与母线或变压器等设备距离较小，若发生倾倒事故，不仅造成避雷针塔的损坏，更会波及其周边的电力设施，造成重大设备缺陷或电网事故，产生巨大经济损失。

防止避雷针塔倾倒的有效方法是对长期服役的避雷针塔进行更换，但是一座避雷针塔的更换成本达百万元，而且目前该地区长期服役的避雷针塔数量多达上千座，对其全部更换所产生的费用数额巨大，盲目的更换更会造成资金资源的浪费。因此，迫切需要对这些已经长期服役避雷针塔进行安全性评估，确定是否可以继续服役。静态受力分析是进行安全性评定的重要步骤，通过应力分析可确定避雷针塔的受力最大部位和变形最大部位，即易发生失效的危险点，之后可对危险点进行相关材料性能试验，以确定其性能是否发生变化。以下以常见避雷针塔为例进行分析。

1建模过程

避雷针塔高30 m，截面为等边三角形，塔底部宽1.14 m，从上至下分为A、B、C、D、E 5段，每段都有3根主材和若干根腹杆，腹杆与主材间采用焊接连接。各段的腹杆和主材圆截面半径各异。避雷针塔在服役过程中受风载荷和自重影响，考虑到主材和腹杆之间连接部分的影响，在分析过程中采用实体单元进行建模，建模工作在软件pro-e中完成。避雷针塔各段主材和腹杆直径不相同，其各段模型及直径分别为：E段主材直径28 mm，腹杆直径25 mm；D段主材直径25 mm，腹杆直径20 mm；C段主材直径25 mm，腹杆直径18 mm；B段主材直径22 mm，腹杆直径14 mm；A段主材直径18 mm，腹杆直径12 mm，针尖直径22 mm。避雷针塔模型如图1。

2有限元分析前处理

2.1　模型导入

避雷针塔在服役过程中会受到风载荷和自重影响，考虑到主材和腹杆之间连接部分的影响，在分析过程中采用实体单元进行建模，建模工作在软件pro-e中完成后保存为sat格式后再导入有限元软件Abaqus中进行静力分析。

(a)　整体模型

(b)　局部放大图

2.2　定义材料属性

导入的模型不能直接划分网格，应首先对模型进行剖分，选择在每500 mm长一段的中间进行剖分，剖分时选择用平面进行，平面可以由xy基准平面开始选取合适的距离进行平移。随后定义材料属性，避雷针塔材料为Q235A钢，定义弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa，计算时需考虑避雷针塔本身的自重，定义材料密度为7 850 kg/m3。

2.3　划分网格

模型高30 m，底面宽1.14 m，模型较大且长细比大，在划分网格时采用自由划分的方式，单元类型选择四面体单元，在某些危险地方进行网格细化，以确保计算的精确度。最终得到的单元数为1 564 723个。

2.4　模型约束

在工程实际中，避雷针塔的受力特点是，其底部固定在地面上或建筑物顶部平台上，只受到水平风载作用，即避雷针塔的迎风面施加水平载荷，施加的约束为底部全方向上的固定约束，即底面上的节点不能沿X、Y、Z方向移动。

2.5　模型载荷的施加

在模型中加载材料属性，考虑到避雷针模型总体尺寸很大，自重影响不可忽略，故在分析中施加载荷应包括自重，其次就是施加风载荷。根据《高耸结构设计规范》[1]，风载荷的计算公式

W=βzμsμzμrW0

(1)

式中：βz为Z高度的风振系数；μs为风载荷体型系数；μz为Z高度处的风压高度变化系数；μr为重现期调整系数，一般结构取1.1，重要结构取1.2,该文取1.2；W0为基本风压，kN/m2，按照设计要求取值为50 kN/m2。

μz的取值应按地面粗糙度进行选择，地面粗糙度分三等：近海海面、小岛及大沙漠等；田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇及大城市郊区；密集建筑群及较多高层建筑的大城市市区。该文采用B类粗糙度，从而根据表1选取相关μz。

表1风压高度变化系数μz

离地面或海平面高度/m地面粗糙度类别A类B类C类5101520304050607080901001501.171.381.521.631.801.922.032.122.272.342.402.642.830.801.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.380.540.710.840.941.111.241.361.461.551.641.721.792.11

而μs的选取则根据W0×d2以及挡风系数进行选取，d为构件即圆钢塔架的直径(m)，经过计算，该模型的挡风系数为0.136 6，则角钢塔架的整体体型系数根据《高耸结构设计规范》选为2.3，圆钢塔架的整体体型系数应按角钢乘以0.8，W0×d2小于0.002，根据《高耸结构设计规范》选取μs大概值为1.9。

βz的选取：βz=1+ξ×ε1×ε2，其中ξ为脉动增大系数，ε1为风压脉动和风压高度变化等的影响系数，ε2为振型、结构外形的影响系数。若不考虑脉动风影响，则βz取值为1。

考虑严重情况，即有脉动风，且T1=0.5s[1]，T1表示结构或构件的1振型的自振周期(s)。

W0×T1为0.25(0.5 ×0.5=0.25)，故根据《高耸结构设计规范》，ξ取值为2.09。同样，根据避雷针塔总模型的高度，ε1的值选取为0.74。

而ε2的选取则应根据各段相对高度和结构顶部和底部的宽度比来进行选取，随着高度的变化而变化。

选取相对高度为0.1列的相关参数。基本风压W0=50 kN/m2。重现期调整系数为1.1。自此，各段所需施加的风载荷(kN/m2)已经确定，并将载荷从模型底部每隔500 mm依次施加到模型上并进行计算。施加载荷后如图2所示。