基于ANSYS的酒杯塔模型分析研究

孟遂民 郭 昊 王 爽 刘文婧

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

2008年雪灾后，国家电力部门在2010年7月颁布了新的线路设计标准，为了适应新规范和建设坚强电网的要求，需要设计和改进一系列高质量高水平的杆塔.而新型杆塔在进行大规模应用前，需要进行真型塔试验，一旦试验时发生破坏，必须重新设计和制作新塔，造成设计成本增加，因此有必要开发一套铁塔试验仿真系统进行铁塔试验前的仿真模拟，进而提高铁塔试验的成功率，甚至部分取代一些试验，而铁塔试验仿真系统首先要解决的问题就是铁塔仿真模型的准确性.因此，本文基于大型有限元分析软件ANSYS仿真分析了国内220kV电压等级的2Z1QA2型单回路酒杯型抗冰直线塔，建立了3种不同的仿真模型，并与试验塔数据进行比较，找出最合适的仿真模型，为后续铁塔试验模拟仿真、铁塔改型、铁塔防灾抗灾的研究提供借鉴.

1 建立铁塔模型

1.1 试验塔实验参数及模型

国家电网北京电力建设科学研究院提供的2Z1QA2型铁塔的实验数据见表1.

表1 2Z1QA2型酒杯塔主要设计参数

利用ANSYS软件建立铁塔的模型，由ANSYS模拟仿真的有限元图如图1所示.

图1 三维有限元图

1.2 3种模型的建立

本文所要建立的模型分别是等截面型钢模型，桁梁混合模型和刚架模型.其中等截面型钢模型和刚架模型选用的建模单元都是Beam188梁单元，等截面型钢模型和刚架模型的区别是前者没有考虑角钢的朝向问题，而只是用等截面形式代替，而后者考虑了角钢朝向［1].

确定角钢朝向的规律是：满足左手法则，如图2所示，从节点I到节点J是连线顺序，z向是关键点指向控制点，按此规则可确定任何朝向的角钢［2].

图2 角钢朝向确定

桁梁混合模型既用到了Beam188梁单元又用到了Link8杆单元.其中铁塔的主材（包括横隔材）被打断形成模型的梁单元，而斜材形成模型的杆单元，梁单元围成铁塔的整个框架.3种模型建立的三维模型局部对比如图3所示.

图3 3种模型局部对比图

2 铁塔模型的静力分析以及结果的误差分析

2.1 模型加载试验工况的确定

为了得到最合适的仿真模型，以验证塔的整体强度、刚度能够满足规范和工程要求，达到线路安全可靠运行的目的，本文将选取几种荷载较大的情况进行计算，对于一些荷载较小的工况由于铁塔产生的应变量较小故将不做计算.

本文所选择的工况是：①覆冰验算（超载），试验荷载为100%设计荷载；②不均匀覆冰（最大扭）试验荷载为100%设计荷载；③不均匀覆冰（最大弯）试验荷载为100%设计荷载.3种工况下的荷载值均由国家电网北京电力建设科学研究院提供.

2.2 静力分析结果及结果的误差分析

如图4所示的是酒杯塔真型塔实验室测点的分布图.铁塔主材承担整个铁塔的主要受力，是整个铁塔的框架，本文研究的酒杯塔主材按照位置的不同可以分为塔身主材和横担主材.

图4 酒杯塔测点分布图

在进行静力分析时，塔材应变值很小时，误差会比较大，同时试验比较关心的是主材中受力较大的，可能会带来危险的塔材，因此，选取了应变值较大的一些杆件进行分析.根据仿真实验结果，分别选取了塔身主材上的测点1、5、7、9、14，横担主材上的测点15、16、22、23进行分析.分别列出3种模型的主材在3种工况下的应变改变值误差对比情况，具体数据见表2～5，测试塔材具体位置如图4所示.

表2 等截面模型主材误差分析表 （单位：%）

表3 桁梁混合模型主材误差分析表 （单位：%）

表4 刚架模型主材误差分析表 （单位：%）

表5 3种模型主材误差平均值比较

通过以上分析可得两个结论：①3种模型主材误差都较小，这是因为铁塔主材轴心受压，受力明确，容易测量.②3种模型中桁梁混合模型的斜材误差平均值是最小的.虽然3种模型所得数据的误差都很接近，但是由于铁塔主要由主材受力决定，故从数据上看桁梁混合模型更加准确.

铁塔本身通常由角钢组成，铁塔杆件主要受到轴向力的作用，衔接处一般采用螺栓联接或焊接，故在一般的工程计算中都将铁塔视为空间桁架模型来处理［3].而铁塔的主材具备梁的特点，除了能承受轴向力之外，还可以承受剪切力、弯矩等，并且在各角钢的联接处，因采用联接板联接，每段角钢上也大多数用多个螺栓联接，这也增加了角钢的约束，增强了其刚度，但是如果将模型建立为空间刚架模型，铁塔将会导致全刚化，刚度过强，也不符合铁塔本身的特点.所以，使用桁梁混合模型［4，5].

桁梁混合模型是将铁塔的主材和横隔材视为梁单元，斜材视为杆单元，更接近于实际的铁塔结构，而且还能很方便地解决采用桁架模型不易解决的问题.在建立有限元模型时，首先应该对整个铁塔结构进行离散化，以铁塔中杆件的中心轴线两两相交的联接处形成模型的节点；两节点之间存在的角钢简化为模型的单元，其中包括梁单元与杆单元.既承受轴向力又承受剪力和弯矩的主材或者横隔材视为梁单元，只承受轴向力的斜材被视为杆单元［6].

基于上述模型的生成准则，铁塔的桁梁混合模型具有如下的几个特点：①铁塔模型是桁梁混合模型，模型中既包含梁单元又包含杆单元，在进行有限元分析计算时以梁单元为基准.②铁塔的主材（包括横隔材）被打断形成模型的梁单元，而斜材形成模型的杆单元，梁单元围成铁塔的整个框架.③铁塔模型的边界条件为：约束铁塔4个脚点在空间坐标系下3个方向的位移自由度［7].

3 模态分析

选用桁梁混合模型，进行模态分析.利用ANSYS中的Block Lanczos模态分析法分析了铁塔前3阶频率，结果见表6，振型示意图如图5所示.

表6 铁塔模型模态分析

图5 铁塔振型图

按照建筑结构荷载规范，关于结构基本自振周期T1的经验公式为T1＝（0.007～0.013）H，式中H为杆塔高度，建筑规范范围为0.303 1～0.692 9s，符合规定.该型号铁塔应该避免建在振动周期为0.310 8s的地区.

4 结 语

本文运用大型有限元仿真软件ANSYS建立了等截面型钢模型，桁梁混合模型和刚架模型，并用分析结果分别和真塔试验的试验数据进行对比分析，然后进行酒杯塔的模态分析.通过对以上内容的研究，本文主要得出了以下主要结论：

1）通过静力分析，用3种仿真模型的实验数据和真塔实验数据相比较，桁梁混合模型的实验数据与真型塔数据相比误差最小，更接近真塔.

2）3种仿真模型在3种工况下主材误差较小，这是因为铁塔主材轴心受压，受力明确，容易测量，而斜材偏心受力，并且存在着压弯、弯扭应力，试验中不容易确定最大受力位置，容易造成测量误差.

3）通过模态分析可知，本文研究的酒杯塔一阶周期为0.310 8s，在建立铁塔时，应该避免建在振动周期为0.310 8s的地区.

［1]胡于进，王章奇.有限元分析及应用［M].北京：清华大学出版社，2009.

［2]徐鹤山.ANSYS建筑钢结构工程实例分析［M].北京：机械工业出版社，2007.

［3]陈祥和，刘在国，肖 琦.输电杆塔及基础设计［M].北京：中国电力出版社，2008.

［4]孙 燕.500kV输电铁塔结构的几何非线性数值模拟［D].保定：华北电力大学，2005.

［5]赵滇生.输电塔架结构的理论分析与受力性能研究［D].杭州：浙江大学，2003.

［6]陆 蕊.大林线220kV架空送电线路铁塔有限元分析研究［D].南宁：广西大学，2006.

［7]曾 程.大跨越输电塔结构极限承载力分析［D].上海：同济大学，2008.