翁兰溪,赵金飞,池金明,李宏进
(福建省电力勘测设计院 福建福州 350003)
图1 窄基塔现场照片图
图2 窄基塔有限元模型图
本文以石狮鸿山电厂 ~晋江500kVΙ、Ⅱ回线路工程中设计应用的一种500kV双回路窄基钢管塔SZ2为研究对象(见图1)。与常规塔相比,窄基塔根开受限制,塔身主材计算长度、长细比较小,不满足规范的铰接体系长径比规定值。通过建立有限元计算模型,研究结构的振型特征,分析二阶效应、次弯矩对窄基塔结构的影响。
图3 窄基塔单线图
窄基塔SZ2的铁塔高度与根开比值为10~15,超过常规铁塔的4~6,其截面能够提供的扭转刚度比常规铁塔小,其扭转效应比常规铁塔明显。其结构布置除了满足普通铁塔的受力要求,必须注意其塔身扭转效应。
图4 一~三阶阵型图
采用Midas结构分析软件对窄基塔 SZ2(呼高54m,全高80.8m)进行数值建模和动力特性分析。杆塔前六阶的自振周期如(表1)所示,有限元模型见(图2),杆塔单线图见(图3),振型图如(图4)所示。
表1 窄基塔SZ2自振周期及振型表
通过(图4)一~三阶阵型可以看出:
本工程杆塔的整体前三振型分别为X向的弯曲、Y向的弯曲和绕Z向的扭转,与多数输电铁塔的计算结果相类似。其中Y向一阶与X向一阶的振型频率非常接近,相差0.6%,说明该杆塔结构的Y向及 X向刚度相近。扭转振型出现在Y向与X向一阶振型之后,一阶扭转振型与横向一阶振型频率相差约为57.1%,说明杆塔不易发生扭转变形。随后出现的是X向与Y向二阶振型及局部振动。
通过自振特性的数值分析结果可以看出,该杆塔结构体系与结构布置合理,动力特性优良。
《架空输电线路钢管塔设计技术规定》[1]7.3.4条“当钢管塔主材的长径比不小于12、斜材的长径比不小于24时,可按照空间桁架铰接体系进行结构内力分析。否则,应考虑节点刚性引起的钢管次弯矩的不利影响”。《钢结构设计规范》[2]也有相同的规定。
采用 Midas有限元软件建立窄基塔 SZ2模型。窄基钢管塔的主材采用梁单元,其它受力较小的斜材和辅助材等采用杆单元模拟。以60°大风工况为例,利用有限元分析结果,推算出各主材端部次弯矩应力及与构件承载力的影响见(表2)。表中对应的主材段数见(图3)。
表2 杆塔次弯矩计算分析
通过(表2)计算分析结果可知:与杆单元轴力相比较,梁单元构件的轴力减少约1~3%;梁单元的杆端弯矩对主材应力影响不可忽略,由于该塔没有设计变坡,与其他塔的次应力分布[3-4]有所区别。该塔塔腿处应力增加约10%,下横担与塔身连接段主材应力增加约7%。其余各段主材:长细比为15~16时,主材应力增加的比例约7~10%;主材长细比越大,主材应力增加越小,长细比27~30时,主材应力增加的比例约3~5%。
窄基塔破坏类型属于极值型失稳,结构在设计荷载作用下发生整体弯曲变形。由于窄基塔的塔高与根开比值比常规塔更大,受二阶效应的影响也比常规塔要大。以下分析窄基塔SZ2杆塔二阶效应影响对塔身整体变形的影响以及对塔身构件应力影响。位移比较见(图5),杆塔部分构件内力比较见(表3)。通过分析可以看出,窄基塔SZ2在设计荷载范围内,二阶效应对杆塔变形影响小可以忽略,二阶效应对塔身主材内力的影响小于1%。
表3 杆塔P-Δ效应计算分析表
图5 计算位移值对比图
本文以500kV双回路窄基钢管塔SZ2为研究对象,建立有限元计算模型进行分析,结论如下:
1)窄基钢管塔SZ2整体前三阶振型分别为X向的弯曲、Y向的弯曲和绕Z向的扭转,自振特性的数值分析结果看出,该杆塔结构体系与结构布置合理,不易发生扭转变形。
2)与杆单元相比较,梁单元构件的轴力减少约1~3%;
3)与杆单元相比较,塔腿处主材应力增加约10%,下横担与塔身连接段主材应力增加约7%。主材长细比越大,主材次应力影响越小。建议设计中对小长细比的主材进行次应力验算。
4)在设计荷载范围内,窄基塔SZ2杆塔二阶效应影响对塔身整体变形的影响很小,对塔身主材内力的影响小于1%。
[1]DL/T 5254-2010,架空输电线路钢管塔设计技术规定[S].
[2]GB 50017-2003 ,钢结构设计规范[S].
[3]李茂华,杨靖波,李正良等.1000kV双回路钢管塔次应力的影响因素[J].电网技术,2010,34(2):20-23.
[4]崔磊,特高压输电钢管塔次应力研究[J].广东电力,2013,26(1):50-52.