山地输电塔模型结构设计、计算与优化

张春伟 魏浩然 吴昊 万骏良 徐茜

摘要：以第十三届全国大学生结构设计竞赛为背景，根据赛题设计不同的山地输电塔模型结构方案，阐述模型制作过程，并采用 SAP2000软件对结构进行受力计算与优化，保证结构安全可靠、轻质高效。同时根据计算结果，对比不同結构设计方案的优劣，为今后类似的结构设计案例提供参考。

关键词：结构设计;山地输电塔;受力计算;对比

1引言

全国大学生结构设计竞赛是一项以结构设计为主要内容，综合培养大学生理论知识水平、创新能力、合作意识和实践能力的赛事，为高等学校开展创新创业教育起到了积极示范作用[1]。

2赛题简述

本次竞赛要求设计并制作一个山地输电塔结构模型，模型须设置“低挂点”2个、“高挂点”1个用于悬挂导线，“高挂点”同时作为水平加载点用于施加水平荷载。模型底面大小、高低挂点位置均需满足赛题规定的尺寸要求[2]。

模型通过在高低挂点上连接导线并在导线上悬挂加载盘及砝码的方式进行加载。加载共分为三级，其中一、二级加载需要分两步在被选中的三根导线的加载盘中放置砝码，三级加载需要在通过侧向加载架的导线末端的加载盘中放置砝码。模型在加载过程中保持完好，不发生倾覆、垮塌或过大变形，则视为加载成功[3]。

3结构选型

根据赛题以及模型制作所用竹材的力学性能，选择“梁-柱”框架体系为主要承载结构体系。根据结构的受力方式与特点，提出以下结构设计方案。

3.1方案一

在本方案中，四根立柱主要承受一级、三级荷载引起的弯矩、扭矩和剪力，悬挑桁架承受扭矩。立柱采用“0.35mm+0.5mm”的双层竹皮，边长为 10mm×10mm，长度为 1000mm。立柱内部斜插入 0.35mm厚的“X”型竹皮用于加固。为提高立柱稳定性，在立柱间增设 3层 3mm×3mm竹条制作的横梁。上部悬挑设计为四棱锥，用竹条连接模型昀高点与悬挑外伸点，提高模型整体性。

3.2方案二

立柱与上部悬挑设计方案同方案一，同时将立柱间横梁改为 4层，并在模型底部设置地梁，在横梁和立柱节点处添加局部短斜撑。

3.3方案三

立柱设计方案同方案一，3层横梁采用 2mm×2mm竹条，同时将昀下层横梁以下的立柱截面适当增大，上部悬挑采用 4mm×4mm三棱锥。

4结构方案优化

三种结构设计方案在 SAP2000中进行计算和优化后，制作实物模型，并进行加载试验。在加载中发现如下现象：（1）塔身主体在一级、二级荷载下容易扭断;（2）上部悬挑先于塔身发生破坏;（3）塔身被拔起。分析可得设计方案存在以下问题：塔身主体抗扭转能力不足，悬挑结构强度不足，塔体与底座连接强度不足。根据加载结果对模型进行以下改进。

4.1“X”型柱

将立柱均分为 10段，使用 0.35mm厚竹片隔开，立柱外表面使用 10mm×10mm、0.5mm厚竹皮顺时针连接，内表面使用 9mm×9mm、0.35mm厚竹皮逆时针连接，两层竹皮呈“回”字型嵌套，并在柱中插入“X”型竹皮，可以提高立柱抗扭能力。

4.2地梁

在模型底部设置地梁，通过螺丝将地梁与底座连接成整体，增加模型与底座的接触面积，避免承受偏心荷载时，模型由于拔力过大而脱离底座。试验表明，设置地梁可以极大提高模型的抗拔能力。

4.3结构布置

在加载中发现，模型局部构件受力过于集中，部分构件未充分发挥材料的承载能力。考虑到竹材顺纹方向的抗拉能力远强于抗压能力，根据结构扭转方向，将柱间斜撑均沿受拉方向布置。同时，通过布置局部横支撑与斜支撑，减小立柱的计算长度，提高其整体稳定性。

5最终设计方案

根据加载试验结果和结构优化思路，确定昀终的模型结构设计方案。

使用“0.5mm+0.35mm”的复合竹皮呈“回”字型嵌套的方式制作边长为 10mm×10mm，长度为 1000mm的立柱，将立柱均分为 10段，使用0.35mm厚竹片隔开，并在柱中插入 0.35mm厚“X”型竹皮以提高抗扭能力。柱间横梁和斜撑使用 3mm×3mm竹条制作，其中横梁沿立柱高度方向每隔 250mm布置一层。

塔身上部使用 3mm×3mm竹条搭设正四棱锥，使模型昀高点达到赛题规定高度。模型底部设置地梁，通过螺丝与底座连接。

使用 SAP2000软件电算和实物模型加载，对该结构设计方案进行理论分析与试验验证，结果表明，模型各构件承载力均满足要求，在昀不利工况下昀大构件应力比（立柱）为 0.882，模型整体位移满足赛题要求。

参考文献

[1]马肖彤，李总，杨金贤，巴音善.第十一届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析[J].教育现代化，2017，4（45）：216-219.

[2]李长志.结构设计大赛输电塔模型优化[J].南方农机，2019，50（15）： 262+265.

[3]闫铂，李英俊.大学生结构设计竞赛模型结构设计与优化[J].山西建筑，2019，45（03）：241-242.

作者简介：张春伟，助教，硕士，主要从事结构工程方向的教学和科研工作。