110kV耐张角钢塔ANSYS静动力特性分析

【摘要】随着输电线路电压等级的提高，对输电线路杆塔系统的静态和动态稳定性提出了更高的要求。本文基于已有设计杆塔图纸中角钢类型繁多，建模复杂等特点。为了缩短建模周期，提高建模质量，本文运用新的建模方式对架空输电杆塔进行建模。通过对华南沿海区域110kV耐张角钢塔的有限元建模和动静力分析，证明了该有限元建模方法的有效性和可行性。

【关键词】输电杆塔；角钢；有限元建模

随着我国经济建设的快速发展[1]，电力作为我国一项基本工业，其发展的速度直接影响、制约着其他产业的发展。现阶段，架空输电杆塔已经成为各国电力供应最重要的载体。作为高负荷的电能输送载体的输电线路体系，对国家经济生产和维持人民群众的日常生活正常运行担负着非常重要作用。

1、输电杆塔ANSYS建模

1.1输电杆塔建模的基本步骤

该110J2J604型耐张输电杆塔塔高41.3m，根开9.8m，结构全采用角钢。此输电塔共采用了2种钢材，分别为Q235，Q345。

本文采用桁梁混合模型对输电杆塔进行建模。由于模型中角钢种类多达30余种，不适合直接将输

电杆塔几何模型直接导入有限元软件。

有限元建模具体的实施步骤如下：

a）根据设计的施工图纸建立三维几何模型，并获取几何模型的节点坐标；

b）通过关键点在ANSYS中建立输电杆塔有限元模型；

c）加载求解。

1.2采用的单元类型[2]

杆单元用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。该类单元只承受杆轴向的拉压，不能承受弯矩，节点只有平动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限应变）、应力刚化（也称几何刚度、初试应力刚度等）等功能。

LINK180无实常数型初应变，但可以输入初应力文件，可考虑附加质量；大变形分析时，横截面面积可以是变化的，即可为轴向伸长的函数或者刚性的。梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转的3D单元。该类单元有常用的2D/3D弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D薄壁梁元及有限应变梁元。此类单元除BEAM189实为3节点外，其余均为2节点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向。本文采用BEAM188单元。

1.3质量增大系数

考虑到输电杆塔实体模型中有螺栓、节点板的，而有限元模型只有杆系结构，并没有螺栓、节点板，这样就造成有限元模型输电杆塔质量与实际结构相比偏小。所以，在这里需要对钢材密度乘以一个质量放大系数K。根据以往同类型杆塔的建模经验，本文输电杆塔质量放大系数取1.5。

2、输电杆塔静力特性分析[3、4]

本文根据输电线路设计规程相关要求，对输电杆塔进行风荷载计算及加载，荷载工况为90度风荷载。

计算后的得到的风载荷分段加载到输电杆塔并求解，通过ANSYS有限元分析可知，在设计风荷载及自重的作用下，输电杆塔最大位移是150.8mm，最大等效应力单元等效应力为172.2Mpa，且位于塔腿处，说明该输电杆塔在最大风荷载作用下没有危险。同时通过有限元分析结果可以发现，斜杆应力普遍较小，并不是重要的受力构件，也进一步论证有限元建模不考虑辅杆的合理性。同时为接下来研究在考虑腐蚀缺陷情况下输电杆塔受力性能研究提供参考建议。

3、输电杆塔动力特性分析

3.1输电杆塔模态提取

按照上述方法对110J2J604型耐张输电杆塔完成实体模型建立后，对其进行模态分析，并提取前6阶自振周期及前3阶振型。

3.2与经验公式对比

该输电杆塔第一周期的经验公式如下：

按照该公式求得输电杆塔的自振周期T=0.423s，与有限元软件计算的第一阶周期0.323s相比，模态分析计算结果比经验公式的计算结果大23.6%。两者存在一定的差距，造成这个结果的原因主要有两个，第一，有限元分析时对模型进行了一定的简化。主材、横隔材全部刚接，而实际结构中主材、横隔材并不是完全刚接的，所以造成结构整体刚度偏大，自振周期偏小；第二，由于输电杆塔的结构形式多样，并且高度不一，如干字塔、猫头塔、酒杯塔等等，而不同高度、不同类型的输电杆塔自振周期具有不同的特点，所以这一公式并不能适用于所有类型的输电杆塔，在进行输电杆塔设计时需要更加精确的自振周期计算公式。

结语：

a）本文根据工程实际，选用合理的有限元建模方法对华南沿海区域110kV耐张角钢杆塔进行了实体建模以及静动力特性分析。论证了该输电杆塔在最大风荷载作用下结构的稳定性。

b）由于不同高度、不同类型的输电杆塔自振周期具有不同的特点，所以这一公式并不能适用于所有类型的输电杆塔。在进行该类输电杆塔设计时需要更加精确的自振周期计算公式。

参考文献：

[1]李杰.生命线工程的研究进展与发展趋势.土木工程学报，（2006）39，1-6.

[2]王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3]郝紫阳.铁塔动态特性及稳定性有限元分析[D].北京：华北电力大学硕士学位论文，2005.

[4]汪江，杜晓峰，张会武.淮蚌线淮河大跨越输电塔有限元建模和修正研究.钢结构，（2009）24，21-24.

[5]中华人民共和国建设部（2006）GB50009-2001建筑结构荷载规范.中国建筑工业出版社，北京.

作者简介：

刘静，女，汉，籍贯广东佛山，1986年8月生，研究方向：电力化学。

通信作者：華南理工大学，刘静。