特高压输电黄河大跨越直线塔特殊节点的有限元分析

雷　强，马诗文，李　菁，田文博，徐　震

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南　250013；2.国网山东省电力公司，济南　250001；3.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南　250021；4.国网东营供电公司，山东　东营　257000）



特高压输电黄河大跨越直线塔特殊节点的有限元分析

雷强1，马诗文2，李菁3，田文博4，徐震1

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013；2.国网山东省电力公司，济南250001；3.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；4.国网东营供电公司，山东东营257000）

摘要：±800 kV山西晋北—江苏南京特高压直流输电线路工程黄河大跨越直线塔采用钢管塔，部分节点连接杆件多、受力复杂。采用有限元软件对2个特殊节点各工况下受力性能进行分析，分析结果表明节点选用的钢材规格能满足结构受力要求。

关键词：大跨越；钢管塔；节点；有限元

1　概述

±800 kV山西晋北—江苏南京特高压直流输电线路工程黄河大跨越采用“耐（JM-37）—直（ZKT-100）—直（ZKT-100）—耐（JM-57）”跨越方式。2基直线跨越塔采用单回路自立式钢管塔，呼高为100 m，全高为104.5 m。

直线跨越塔塔头承受大跨越导地线巨大荷载，为保证塔头尺寸合理紧凑、结构传力简洁明确，通过对不同塔头型式的选型比较，直线跨越塔采用展翅型塔头，见图1。展翅型塔头外形与电气间隙配合较紧凑，塔身主柱高度最小，塔重较轻。但是该种塔头横担上平面交点处（节点1）共计11根杆件交汇一起，横担和塔身交点处（节点2）共计10根杆件交汇一起。在不同工况下，所交汇的各杆件承受不同拉压荷载，使这两处节点受力尤为复杂。节点起着传递荷载，将结构构件连成整体作用，节点设计是否合理，关系到整个铁塔结构的安全。利用有限元软件ABAQUS［1］对上述两节点各工况下受力情况进行分析，为大跨越塔节点设计提供依据。

图1　直线跨越塔塔头

2　节点样式选择

钢桁架节点常用3种节点样式［2］：焊接空心球节点、焊接钢管节点和螺栓球节点，见图2。

图2　节点样式

焊接空心球节点是一种杆件直接焊接到闭合的球形壳体上形成的节点，杆件轴力均由球壳承受。焊接钢管节点是焊接空心球节点的一种变化形式，以一小段钢管代替空心球，以往认为该型节点加工比较困难，随着计算机放样技术和自动焊接技术的推广应用，钢管塔加工厂家生产这种节点已比较容易。螺栓球节点是由高强度螺栓将钢管构件与球体连接成一体，在构造上比较接近于铰接模型。螺栓球节点由于其特殊构造，在输电线路钢管塔上无法采用。

根据直线跨越塔荷载情况，综合考虑钢管塔厂家加工能力和铁塔施工等因素，本工程节点选择大多钢管塔加工厂家都可加工的焊接钢管节点型式。

根据直线跨越塔交汇于节点处杆件的外径、壁厚，杆件与节点钢管相贯竖向长度及构造要求，节点1和节点2均初步选择Q345Bφ529×25。

3　有限元模型建立

3.1材料本构关系

节点钢材屈服强度取fy=345 MPa，弹性模量取Es=2.06×105MPa。由于荷载较大，按理想材料本构关系，塑性变形过大容易导致不收敛，因此选取与实际接近的本构关系，其材料本构模型如图3所示。

3.2节点1模型

节点1位于左右横担连接处，如图4所示，共有11根支管与主管连接。g1、g2、g3、g4和g5支管与主管相贯连接，另外6根支管通过插板螺栓连接在加劲板上，加劲板与节点管壁焊接。

图3　材料本构模型

图4　节点1模型

3.3节点2模型

节点2模型如图5所示，共有10支管与主管相连接。ZG1（520），ZG2（530）和ZG3（540）支管与主管相贯连接，ZGX（1100）支管通过法兰盘与主管连接，其余6根支管通过插板螺栓连接在加劲板上，加劲板与主管管壁焊接。

图5　节点2模型

3.4有限元模型建立

节点1、节点2均以实体建模，网格单元采用C3D8R，所有接触类型均为Tie绑定约束，集中荷载与螺栓孔采用耦合约束。节点1约束条件为主管上、下端自由，支管远端采用滑动支座，只能发生轴向位移；节点2主管上端自由，主管下端以及相贯支管远端看作滑动支座，只能发生轴向位移。共设置2个分析步，在第一个分析步施加10 N的集中荷载，使分析一开始就很容易建立接触关系，在第二个分析步施加实际集中荷载，保证分析过程收敛。

4　有限元分析结果

4.1节点1有限元分析结果

将多种工况下的杆件荷载施加到对应法兰节点上，得到节点在各工况下的Von-MIses应力。节点1荷载位置节点编号如图6所示。

图6　节点1荷载位置编号

4.1.1工况1（90°风工况）

在工况1下，节点1应力如图7所示，从应力图中可以看出节点最大应力为369 MPa，已经达到屈服极限。从图中可以看出支管g5靠近主管区域出现大面积的屈服，材料从弹性阶段进入塑性屈服阶段，发生塑性变形，但节点1主管绝大部分区域均处于弹性工作阶段。在工况1作用下节点1主管承载力满足要求。

图7　工况1节点应力云图

4.1.2工况2（45°风）

在工况2下，应力如图8所示，从云图中可以看出节点最大应力为351 MPa，已经屈服。从图中可以看出支管g5靠近主管区域出现一定面积的屈服区域，同时相贯区域和加劲板与管焊接区域也出现小面积的屈服，存在应力集中，材料从弹性阶段进入塑性屈服阶段，发生塑性变形，但节点1主管绝大部分区域均处于弹性工作阶段。在工况2作用下节点1主管承载力满足要求。

图8　工况2应力云图

4.1.3工况14（断右导线）

在工况14下应力如图9所示，从图中可以看出节点最大应力为351MPa，已经屈服。支管g1、g3、g4、g5及相贯焊接处与法兰板和加劲板焊接处出现了小面积的屈服，但节点1主管绝大部分区域均处于弹性工作阶段。在工况14作用下节点1主管承载力满足要求。

图9　工况14应力云图

4.1.4工况33（覆冰）

在工况33下，节点1应力图如图10所示，从云图中可以看出节点最大应力为412 MPa，已经屈服。支管g5靠近主管的一侧出现大面积的屈服，主管上端、相贯焊接处及法兰板焊接处均出现一定面积的屈服区域，但节点1主管绝大部分区域均处于弹性工作阶段。综上所述，在工况33作用下节点1主管承载力满足要求。

图10　工况33应力云图

4.1.5工况41（安装）

在工况41下，节点1应力如图11所示，从云图中可以看出节点最大应力为443 MPa，已经屈服。支管g4、g5出现大面积的屈服区域，相贯焊接处及法兰板焊接处均出现一定面积的屈服区域，但节点1主管绝大部分区域均处于弹性工作阶段。在工况41作用下节点1主管承载力满足要求。

图11　工况41应力云图

4.2节点2有限元分析结果

将多种工况下的杆件荷载施加到对应法兰节点上，得到节点在各工况下的Von-MIses应力。节点2荷载位置节点编号如图12所示。

4.2.1工况1（90°风）

在工况1下，节点2的应力云图见图13，从内力云图中可以看出，在主管与支管（520）和支管（530）相贯处的小部分区域，以及支管（540）与法兰盘（FLB6）连接处的小部分区域，材料从弹性阶段进入塑性屈服阶段，发生塑性变形，其余绝大部分区域均处于弹性工作阶段。在该荷载工况作用下节点2主管承载力满足要求。

图12　节点2编号

图13　工况1应力图

4.2.2工况6（60°大风）

在工况6下，节点2的应力云图见图14。从图14中可以看出，在主管与支管（520）和支管（530）相贯处的小部分区域，加劲板（JJB6）与主管连接部位，以及支管（540）与法兰盘（FLB6）连接处的小部分区域，材料从弹性阶段进入塑性屈服阶段，发生塑性变形，其余绝大部分区域材料均处于弹性工作阶段。在该荷载工况作用下节点2主管承载力满足要求。

图14　工况6应力图

4.2.3工况14（断右导线）

在工况14下，节点2的应力云图见图15，从图15中可以看出，在主管的中部区域，主管与支管（520）和支管（530）相贯处的大部分区域，加劲板（JJB4）与主管连接处下端部位，加劲板（JJB6）与主管、支管（530）和法兰盘（FLB6）连接的部位，加劲板（JJB5）与支管（520）连接处的大部分区域，以及主管底部法兰盘与加劲板连接的小部分区域等，这些区域材料从弹性阶段进入塑性屈服阶段，材料发生塑性变形，可认为材料已达到屈服状态，但节点2主管大部分区域均处于弹性工作阶段。在该荷载工况作用下节点2主管承载力满足要求。

图15　工况14应力图

4.2.4工况17（安装）

在工况17下，节点2的应力云图见图16，从图16中可以看出，在主管与支管（520）和支管（530）相贯处的小部分区域，加劲板（JJB6）与法兰盘（FLB6）连接的部位，以及支管（540）与法兰盘（FLB6）连接处的小部分区域，材料从弹性阶段进入塑性屈服阶段，发生塑性变形，其余绝大部分区域材料均处于弹性工作阶段，可认为材料可以正常工作，在该荷载工况作用下节点2主管承载力满足要求。

图16　工况17应力图

5　结语

通过有限元分析，黄河大跨越直线塔特殊节点1、节点2在承载力方面有以下结论：两个节点尽管有部分区域进入塑性，但大部分区域均处于弹性范围内，节点有足够强度储备，尽管节点构造复杂，但在承载力上还是安全的［3-4］。有限元分析结果表明部分支管钢材在一些工况下进入塑性状态，部分支管需采取加大壁厚等措施加强。本文仅分析了节点在各工况荷载情况下的应力状态，节点极限承载力还需进一步分析。

参考文献

［1］马晓峰.abaqus 6.11中文版有限元分析从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［2］李荣星，魏才昂，丁峙崐，等.钢结构连接节点设计手册（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［3］GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.

［4］Q/GDW 391—2009输电线路钢管塔构造设计规定［S］.

Finite Element Analysis on Straight Tower Special Nodes of Long Span Crossing the Yellow River in UHV Transmission

LEI Qiang1，MA Shiwen2，LI Jing3，TIAN Wenbo4，XU Zhen1
（1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. Economic＆Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；4. State Grid Dongying Power Supply Company，Dongying 257000，China；）

Abstract:±800 kV In the Shanxijinbei-Jiangsunanjing DC transmission line project，steel pipe tower is used for the long span crossing over the Yellow River. For those towers，some special nodes are connected to many members and stressed in a complex state. Two special nodes are analyzed using finite element analysis software. The results indicated the adopted steel specification used in special nodes can meet the requirement of the structural force.

Key words:long pan crossing；steel tube structure；node；finite analyses

中图分类号：TM753

文献标志码：A

文章编号：1007－9904（2016）05－0005－05

收稿日期：2016-03-21

作者简介：

雷强（1981），男，工程师，从事线路结构设计工作。