智慧城市理念下智能公交语音播报设计方案探究

杨宝生 许海峰

1 项目概况及ABAQUS简介

本文模拟的输电塔架共包含400千伏、220千伏及60千伏输电线路，总长352.192千米，输电塔主体结构采用角钢，各构件间用螺栓和连接板连接.由于输电塔架属于高耸构筑物，所处环境风荷载较大，因此对构筑物本身稳定性要求高.本文通过对输电塔架结构和材料的分析，创建合适的分析模型.在ABAQUS软件中定义材料参数、划分网格、考虑自重和风荷载的受力、模拟得出实际环境下输电塔的形变，从而分析其稳定性，为输电塔在实际工程中的应用提供有价值的参考.

2 输电塔有限元模型建立

2.1 单元类型的确定

输电塔架结构分析的关键在于模型简化，选择不同单元类型，将会导致模拟结论的不同，甚至可能出现求解结果无法收敛的情况.本文输电塔架实际案例取整体高度为47.8m的悬垂塔进行模拟（如图1），输电塔架体系整体采用角钢材料，塔身由Q345和Q420角钢构成（如图2、3），各段由螺栓固定连接.因此在有限元建模过程中，可将塔身简化成线框模型，先在AutoCAD中按设计图纸尺寸画出简化后的三维空间线框模型后，然后导入ABAQUS软件中.由于輸电塔杆件均为角钢材料，并且在连接处采用螺栓和连接板连接，一定程度增加了角钢的约束，提高了整体刚度，因此在进行有限元分析时，将输电塔架中的每一根角钢简化为统 一截面尺寸的梁单元进行模拟（梁单元构造简单，几何自由度少，适用于角钢构成的输电塔结构[3-4]）.

2.2 材料和截面的属性确定

为了使得分析结果精准，在ABAQUS软件中需使用统一的单位制.输电塔身采用角钢材料，在接口程序AutoCAD中建立线框模型采用毫米为单位，在ABAQUS材料属性中定义钢材质量密度为7.85×10-9t/mm3，在定义钢材的弹性模量时[5]，取2.06 ×108MPa，泊松比取0.28，同时需要对截面属性进行定义（如图4）.创建界面时，确定所选择截面为梁类别中的梁类型[6]，并且选择梁的截面为L型，选用Q420角钢尺寸，通过指派截面赋予原线框模型梁单元.在ABAQUS中材料各向性质通常相同，但在梁单元里，轴向强度则较高于横截面的强度[7，8]，所以应在软件中应设定梁单元的方向，最终完成对模型材料和截面的定义.输电塔底部固定于地面，需要在模型底部添加完全固定的边界条件.网格划分的精度，分析步中增量步的大小同样会影响模拟的结果，因此需调整合适的布种密度进行网格划分，得出创建网格后的模型（如图5）.

3 自重和风荷载下的模拟

3.1 自重分析

为精确分析安哥拉当地和国内环境下输电塔受力分析情况的不同，先确定安哥拉经纬度，取当地重力加速度g1为9781s/mm2，合肥市重力加速度g2为9800s/mm2.在ABAQUS软件中，输入两种重力加速度.

3.2 风荷载计算

通过将塔身分为9段，根据确定的角钢尺寸，计算迎风面的投影面积和轮廓面积，得出每一段的挡风系数（见表1）.

对于通常的竖向悬臂型结构，例如高层建筑和塔架，构架等高耸构筑物，可只计算第一振型[9].按规范要求计算出所需的系数（见表2）.

随着输电塔每层结构所处的高度不同，风速会随之变化，所以要查找风的高度变化系数.输电塔架项目建于房屋较为稀疏的地区，故地面粗糙度属B类，查询建筑结构荷载规范可以确定风压高度系数μz.根据塔架各分段，按如下公式计算风荷载：

式中A为分段杆件投影面积，最终得出两地风荷载大小（见表3）.

3.3 有限元模拟结果分析

将产生的风荷载简化为集中力，平均作用于各段塔身的各个节点[10].在ABAQUS软件中，分别输入重力加速度和风荷载，得出两地输电塔在风荷载和自重下的应力情况（如图6、7）以及位移情况（如图8、9）.

由图6、7可知，输电塔模型在安哥拉地区最大Mises应力为33.81N/mm2，在合肥地区的最大Mises应力值为44.92N/mm2，两者相差25%，且两种工况下输电塔出现的最大Mises应力均处于塔身下部的塔腿处;由图8、9可知，输电塔模型在安哥拉地区最大位移为14.16mm，在合肥地区的最大位移为31.5mm，两者相差55%，且两种工况下输电塔出现的最大位移都处于输电塔顶部.由此可知，输电塔所处环境的风压对输电塔的稳定性影响较大，且输电塔易在塔身下部的塔腿处和塔身上部的塔顶处发生破坏，因此在实际工程运用中，应对输电塔的塔顶和塔腿处进行加固，以防止输电塔发生失稳破坏.

4 结论和展望

通过对比分析输电塔的应力云图和位移云图，可得出以下结论：

（1）输电塔架在安哥拉地区的最大Mises应力和最大位移均小于国内环境下模拟的数值，这说明输电塔所处环境的风压越小，则输电塔的稳定性越好.

（2）从模拟结果分析可知，输电塔架整体较稳定，塔身下部和塔腿的应力较大，塔顶位移较大，塔中部较稳定，设计施工时应多考虑塔身下部和塔腿的加固.

（3）本次有限元软件模拟输电塔整体结构简化为线框模型，并赋予梁单元属性，模型简单方便，但是由于梁节点的刚度约束较大，模拟结构响应较低.为了较为真实的模拟，可以考虑释放梁单元端部自由度的方法，或者将桁梁单元模型简化为壳体模型，精化模型的建立.

——————————

参考文献：

〔1〕孙震.输电塔基本单元分析模型建立及试验研究[D].同济大学，2008.

〔2〕张卓群，周楠，李宏男，秦玮.风荷作用下的输电塔结构倒塌破坏分析[J].价值工程，2016（35）.

〔3〕陈祺，王新芳，文明.输电铁塔ANSYS建模及有限元分析[J].山西建筑，2010（16）.

〔4〕孙震，李杰，谢强.角钢构件试验研究及有限元分析[D].同济大学，2008.

〔5〕徐震，王文明，林清海，金树，曹丹京，田利.输电塔-线体系简化模型地震作用下的连续性倒塌分析[J].地震工程学报，2009（05）.

〔6〕刘雅.500kV输电塔线体系抗地震性能分析与研究[D].华北电力大学，2016.

〔7〕李宏男，白海峰.输电塔线体系的风（雨）致振动响应与稳定性研究[J].土木工程学报，2015（08）.

〔8〕侯景鹏，孙自堂，吴兴宏，郑毅.输电塔抗风稳定分析[J].水电能源科学，2010（15）.

〔9〕赵桂峰，谢强，梁枢果，李杰.高压输电塔线体系抗风设计风洞试验研究[J].高电压技术，2009（27）.

〔10〕刘鸣.基于AR法的双回路直线型输电塔架风振分析[J].特种结构，2014（30）.