输电塔塔腿设计及数值模拟分析

柯嘉 王学群 高彬

摘 要：本文利用ANSYS软件对输电塔塔腿结构受力性能展开精细化研究，在考虑几何和材料非线性的基础上，分析了分隔数、塔腿高度、主斜材夹角对塔腿极限承载力的影响，为工程设计提供一些建议。

关键词：输电塔塔腿；受力性能；数值模拟

目前在工程中，塔腿结构设计方法采用杆系单元有限元方法进行计算，没有考虑变形的影响，认为主材内力沿高度不发生变化且忽略了弯矩和剪力作用，这种方法得到的塔腿极限承载力只与主材长细比和截面积有关。当输电塔高度增大、受力趋于复杂时，大变形产生的二阶效应有可能使塔腿的受力性能变差，承载能力下降。

1 塔腿受力性能

本文以某500KV输电线路直线塔为例，该塔全高71.5m，塔腿高15.3m，主材规格为200X16B。

利用ANSYS软件的有限元理论对塔腿进行分析计算。主斜材采用BEAM189单元，辅助材采用BEAM44单元，并释放了横隔面杆件和辅助材对受力杆件的转动约束。主材屈服强度取380N/mm2，斜材、隔面材和辅助材屈服强度取210N/mm2，弹性模量取2.06x105 N/mm2，泊松比取0.3，材料应力应变曲线采用理想弹塑性模型。另外，采用特征值缺陷模态的方法考虑初始缺陷对铁塔承载力的影响，对塔腿结构施加塔腿整体高度1/1000的初始缺陷。对该塔腿施加沿主材方向作用P，采用牛顿法进行计算。其屈曲时向内侧弯曲，下部侧移明显大于上部。

1.1 分隔数对塔腿承载力的影响

在同样的塔腿高度下，即使主材长细比和截面积保持不变，当分隔数发生变化时塔腿的变形模式会有所不同，有可能对塔腿受力性能产生影响。

表 1杆件截面类型

分隔数 主材规格 截面积（cm2） 塔腿极限承载力（kN） 比较系数

7 228.6X13.86 61.447 1896.75 100.00%

8 200X16 61.44 1885.5 99.41%

9 177.8X18.2 61.407 1877.25 98.97%

为探讨分隔数的这种影响，分别比较了7、8、9三种分隔数下的塔腿承载力。表1给出了不同分隔数下的主材规格和塔腿极限承载力，其中，主材分别采用了三种不同的截面规格，以保证同样塔腿高度下主材长细比和截面积不变。

从表中可以看出，分隔数的增加会导致塔腿极限承载力减小。这是因为，从塔腿的屈曲模态来看其薄弱部位往往出现在塔腿下部，分隔数的增大会导致薄弱部位分隔处截面宽度变小，其抗弯、抗剪等力学性能变差，最终使得塔腿极限承载力下降。

另一方面，需要注意到，其中与七分隔相比，九分隔的塔腿承载力仅仅下降了1%左右，说明这种分隔数对塔腿极限承载力的影响很有限。因此，在工程设计中，有时候可以采用增大分隔数以降低主材规格的做法，降低用钢量，带来更好的经济效益。

1.2 塔腿高度对塔腿受力性能的影响

本文分别比较了三种不同高度下的塔腿承载力。表2给出了三个高度相应的分隔数和长细比，以保持主材长细比不变。图1给出了不同塔腿高度下，塔腿承载力的变化并与传统设计方法计算结果进行比较。

表2 不同高度下的分隔数

主材规格 塔腿高度（m） 分隔数 长细比

13.3875 7 48.3

200X16B 15.3 8 48.3

17.2125 9 48.3

图 1不同高度下的塔腿极限承载力

从图中可以看到，塔腿高度增大会导致其承载力明显下降，而且当塔腿高度过大时，传统设计方法的计算结果会偏于不安全。因此，工程设计中，对高度较小的塔腿，其裕度可以取小些，而高度较大的塔腿需要适当的增加安全裕度。

1.3 主斜材夹角的影响

如前文所述，塔腿刚度沿着纵向方向逐渐减少导致下部出现薄弱部位，进而引起其极限承载力下降。实际上，当主斜材夹角较小时，塔腿刚度沿纵向减小速度加快，可能会对其受力性能产生影响。

为给实际工程提供参考价值，保持塔身坡度不变，通改变塔腿上下开口宽度来改变主斜材夹角，进而比较不同夹角下的塔腿受力性能。图2给出了不同主斜材夹角下的塔腿极限承载力，并与传统设计方法的计算结果进行比较。

图 2不同主斜材夹角的塔腿极限承载力

从图中可以看到，主斜材夹角的减小会导致塔腿极限承载力明显下降，当主斜材夹角小于18度以后传统设计方法的计算结果会偏于不安全。因此，在实际工程中，主斜材夹角过小时，需要适当提高主材的安全裕度。

2 结语

分隔数的增加会导致塔腿极限承载力减小，但影响颇小。工程设计中可采用增大分隔数以降低主材规格。塔腿高度的增大和主斜材夹角的减小都会导致其承载力明显下降，当塔腿高度过大或者主斜材夹角小于18度时，传统设计方法的计算结果会偏于不安全，需适当增加安全裕度。

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