Z3型猫头塔动力特性分析

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510006)

输电铁塔作为一种重要的电力设施，被广泛的应用于实际生活中。与此同时，人们生活中也越来越离不开电，稳定的电力供应变得愈发重要。然而，因社会经济快速发展而对既有输电线路的扩容改造及自然灾害的发生而导致的输电塔倒塌事故时有发生，影响了人们的正常生活也造成了巨大经济损失。输电塔的动力特性对其倒塌模式有着重要的影响，因此，输电塔的动力特性研究对确保输电塔稳定可靠的运行有着重要的社会、经济意义。本文选取广东某地区Z3型猫头塔为研究对象，借助通用有限元软件ANSYS进行分析。

一、输电塔建模

(一)建模思路

利用ANSYS建立输电塔模型通常有三种思路：桁架模型、刚架模型、桁梁混合模型。选用输电塔桁架模型会造成模型的整体刚度偏小，这是因为输电塔角钢之间不是完全铰接而是半刚性连接，采用桁架模型与实际情况不符合。此外，采用桁架模型可能会因为“平面节点”而导致模型不能进行静力计算。

选用输电塔刚架模型会造成模型的整体刚度偏大，输电塔角钢之间完全刚性连接的处理方法与输电塔的实际情况不符合。同时，建立刚架模型需要定义输电塔每一根角钢的摆向，建模工作量较大，不利于快速建模。

目前输电塔建模多采用桁梁混合模型，桁梁混合模型中主腹杆的刚度和对输电塔模型约束偏大且次腹杆的刚度和对输电塔模型约束偏小，二者相互抵消，较为合理。

(二)单元选择

本文中输电塔采用桁梁混合模型建模选择使用ANSYS单元库中的BEAM188单元和LINK8单元。使用BEAM188单元来模拟输电塔的主材、横隔材及与辅助材连接的斜材；使用LINK8单元来模拟输电塔的辅助材和没有连接辅助材的斜材。

BEAM188是一个二节点的三维线性梁单元，每个节点上有6或7个自由度，分别是沿x、y、z方向的位移及绕其的转动。必要时可以添加翘曲自由度。BEAM188是基于Timoshenko梁理论，具有扭切变形效果。能够很好的应用于线性分析、大偏转，大应力的非线性分析。

LINK8单元是一个二节点的三维线性杆单元，每个节点有3个自由度，分别是沿x、y、z方向的位移。LINK8单元只能承受单轴拉压，不能承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。LINK8单元能够应用于模拟桁架、垂缆、连杆、弹簧等。

(三)平面节点

前文中所提到的“平面节点”是指在某一节点上连接有多个杆件且这些杆件都在同一平面内，这些杆件在该平面内处于几何不变状态，而在垂直于该平面的方向，这些杆件处于几何可变状态。这样的节点就是“平面节点”。输电塔模型中如果存在平面节点就会造成输电塔整体刚度矩阵奇异，从而导致所建成的分析模型无法正常使用。

处理“平面节点”常用方法有两种：第一种方法是对平面节点施加面外约束，控制其面外变形；第二种方法是删除平面节点，建模中对部分角钢的连接进行简化，例如，使用杆单元创建输电塔斜材时，斜材间的“交叉点”处不创建节点，即两根斜材间不通过节点来连接。

(四)建模方法

利用ANSYS建立输电塔模型有两种方法：实体建模及直接法建模。直接法建模就是通过创建节点，并在节点之间直接生成单元的一种有限元模型建立方法，通常适用于简单和小型模型。对于规模较大、空间构造复杂的结构，直接法建模的工作量较大，不建议使用。

实体建模就是通过描述所分析结构的几何边界来创建实体模型，并在实体模型的基础上进行单元属性分配，网格划分水平设置，然后进行网格划分，ANSYS会自动生成全部节点及单元。实体建模又分为自底向上建模和自顶向下建模。自底向上建模是先创建关键点，然后利用关键点定义线、面、体；自顶向下建模就是直接利用高级别的对象建立实体模型。

考虑到输电塔模型角钢摆放的差异对结构整体力学性能的影响及采用直接法建模无法对角钢摆放进行设置，本文采用自底向上的实体建模方法，严格按照输电塔设计图纸创建关键点，在关键点间生成线单元来模拟角钢，角钢的摆放与图纸一致。

ANSYS建模由用户自己定义角钢的摆放。通过梁单元的i节点和j节点之间的连线方向以及关键点Z的方位来确定角钢的摆放，依据“右手定则”可以很便捷的完成角钢摆放的设置。建模完成后，输电塔正视图和角钢摆放细部图分别如图1、图2所示。

图1 输电塔正视图

图2 角钢摆放细部图

二、输电塔模态分析

模态分析用于确定设计结构或构件的振动特性，即结构的固定频率及振型，它们是承受动荷载结构设计的重要参数。本文用模态分析的结果来指导模型的修正，使有限元分析模型更加趋近于实际状态。模态分析是一种线性分析，非线性特征在分析过程中会被忽略。模态分析主要使用分块兰索斯法(LANB)及子空间迭代法(SUBSP)，本文选用子空间迭代法进行分析。约束塔腿处四个节点全部自由度，提取前六阶模态，由模态分析可得到输电塔前六阶振动频率，根据自振周期与频率的倒数关系，可以计算出前六阶自振周期。输电塔频率、周期如表1所示，图3为输电塔前六阶振型图。

表1 输电塔前六阶自振频率及周期

图3 输电塔前六阶振型图

由图3所示，第一阶模态为Z方向平动振型；第二阶模态为X方向平动振型；第三阶模态为整体扭转振型；第四阶模态为Z方向二阶平动加局部振型；第五阶模态为X方向二阶平动振型；第六阶模态为局部振型。输电塔局部振型出现的较晚，结构整体性良好。

三、小节

本文以Z3型猫头塔为例，对输电塔建模过程中模型类型、单元选择、平面节点、建模方法等进行了探讨。通过对输电塔进行模态分析研究了自振频率、周期和振型等动力特性，为该型输电塔的设计、运行、维护、改造等提供了参考意义。

【参考文献】

[1]屈成忠,刘春玲，李霞，张有佳.500kv猫头塔结构动力特性分析[J].东北电力大学学报,2008,28(6):1—5.

[2]韩林田，刘树堂，刘智勇，苏春发.220kv四回路窄基输电铁塔动力特性研究[J].华南地震,2014,S1,23—23+30.

[3]陈琪.220kv猫头型输电铁塔动力特性及极限承载力分析[D].南昌大学,2009.

[4]屈成忠,杨圣慧，刘玥君.猫头塔结构自振周期研究[J].建筑结构，2012,42(3):78—79+71.

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人们交通出版社,2007.