结构设计竞赛之山地输电塔模型优化分析*

2022-12-05蔡梓涛潘兆东刘良坤艾心荧沈博谦

建筑与装饰 2022年22期

蔡梓涛潘兆东刘良坤艾心荧沈博谦

东莞理工学院生态环境与建筑工程学院广东东莞 523000

引言

近年来，我国的能源开发重心加速向西部转移，将西部地区的能源资源供往东部沿海地区，“西电东送”便是其中一个措施，为满足远距离输送配电要求，需保证输电塔这一重要生命线工程的安全性和可靠性[1]。鉴于此，第十三届全国大学生结构设计竞赛要求设计、制作一个山地输电塔模型，该模型需能承受风荷载、导地线荷载等多种荷载作用，同时满足比赛对模型变形挠度和材料利用率的限值要求[2]。

1 模型制作要求

输电塔模型柱脚用自攻螺钉固定在支座底板250mm×250mm的正方形区域内。模型上设置有用于悬挂导线的2个“低挂点”和1个“高挂点”，导线悬挂点距离底板的高度和其投影距底板中心点的距离须在规定的范围内。

2 模型方案

2.1 节点优化

为满足“强节点”的设计理念，本文研究了以下几种增强型节点，其具体特征见表1。

表1 增强型节点

综合考虑节点受力形式、大小和美观性等因素，对于主要受力节点，采用竹粉固结的处理方式，同时外包竹皮提高美观性，对于次要节点采用竹皮外包和嵌入小块处理。

2.2 受压杆件截面优化

为提高受压杆件的稳定性，制作并分析了以下几种型式的杆件截面，其具体特征见表2。

表2 杆件截面方案

综合考虑抗压强度、惯性矩、材料利用率和制作难易程度等因素，主杆须采用箱型截面或三角形截面，保证结构安全性和可靠性，塔尖和塔臂部位杆件采用角钢截面，节省材料的同时有效保证抗压强度。

2.3 塔尖及塔臂优化

在保证塔尖强度、塔臂稳定性、刚度和承载力的基础上，分别设计了如表3、4所示的几种方案，并对其受力特性进行了比较。

表3 塔尖部位方案

表4 塔臂部位方案

2.4 结构体系优化

通过对多种方案进行优化组合，设计了如表5所示的4种结构体系。综合考虑结构几何形状、荷载形式、长细比及不同体系的抗扭、抗弯性能等因素，最终确定采用仰角塔臂桁架体系。

3 仿真分析验算

3.1 结构设计参数信息

利用Midas有限元分析软件进行建模与分析，首先对主要参数进行了如下定义[3]：①材料密度为0.8g/cm3，泊松比为0.3，顺纹抗拉强度为60MPa，抗压强度为30MPa，弹性模量为60GPa；②几何信息：立柱、横杆使用截面为箱型截面，塔尖和塔臂为角钢截面，斜拉为实腹长方形截面；③结构支座：施加固定端约束。

3.2 静荷载下结构内力分析

限于篇幅，本文仅以45°下坡门架工况为例进行三级荷载模拟分析：①一级加载选取4kg+4kg+4kg的导线荷载工况加于高挂点；②一级荷载基础上，二级加载选取每根导线4kg+4kg+4kg的导线荷载工况加于低挂点；③一、二级荷载基础上，三级加载选取10kg的水平荷载工况加于高挂点。

表6为该模型关键节点的位移计算结果，通过对比分析可以看出：①一级荷载下，结构的最大位移发生在塔尖部分，达9.05mm；②二级荷载下，由于悬臂长度大，导致结构受扭后，悬臂末端的位移达到22.77mm。因此，比赛时可考虑使用更刚的拉杆来满足挠度要求；③三级加载对部分压杆有利，悬臂两端位移达到24.18mm和27.64mm，由于三级荷载不考虑限空，所以只要保证结构不发生破坏即可。

3.3 风荷载下结构内力分析

以西安地区风荷载信息为例，同时考虑输电塔所处的山地环境对参数进行调节，分析模型在风荷载作用下的内力和位移。根据结构荷载规范GB50009-2012[4]求得该风荷载标准值3.59KN/m²，迎风面截面面积19550mm²，结构所受风荷载大小70N。通过有限元仿真分析的结果可知，输电塔迎风面构件受拉，背面构件受压，轴力最大值为76N，关键节点的最大位移为3.06mm（见表6），均远低于限值。

3.4 实际加载

对模型进行多次加载，并将有限元结果与试验进行对比分析，可以发现：①整体变形接近仿真分析结果，但由于杆件间是由502胶水进行黏结，节点处容易脱落，此时可以在节点外包裹竹粉，增强节点的传力性；②部分受拉杆件会发生松弛，因此，在制作模型时需使受拉杆件处于预拉状态；③在加载过程中模型发生扭转变形，可用竹粉制作凹槽以防止导线滑移脱落而出现的加载失败情况；④为防止模型底端四个柱脚节点在加载时破坏，通过竹皮的胶结作用将竹片和立柱胶结在一起提高整体受力性能，防止因柱脚受弯、剪而引起局部破坏。