基于ABAQUS的山地输电塔结构模型试验与优化设计

张天成，张翔，石梓钰，张谦硕，王迅周

（安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

山地输电塔由于所处环境地形复杂，承受包括风荷载、自重、纵向导线张力等多种荷载作用其安全性和可靠性长期以来受到广泛学者和设计人员的关注。第十三届大学生结构设计竞赛即是以此为背景要求设计并制作输电塔模型，并通过三级加载,来模拟山地输电塔在多种荷载作用下可能发生的损伤甚至结构整体的倒塌破坏[1]。

本文从赛题出发并结合参加竞赛获得的经验，以力学分析为指导。在模型制作、方案演化、理论分析等方面进行全方位的阐述,为结构模型设计大赛提供参考,同时也为相关实际工程提供借鉴。

1 设计要求与加载方法

1.1 设计要求

模型要求设计并制作一个山地输电塔模型，模型柱脚通过自攻螺丝固定于400×400×15的竹制底板上，模型底面尺寸限制在底板中央250mm×250mm的正方形区域内。

设置低挂点2个、高挂点1个用于施加导线荷载和侧向水平荷载，低挂点应为模型最远悬臂点，距离底板表面高度应在1000mm～1100mm内,其在底板面上的投影应分别位于如图1所示的上、下扇形圆环阴影区域内；高挂点作为模型的最高点，其距离底板表面高度应在1200mm～1400mm内，其在底板面上的投影距离O点应该小于350mm，如图1所示。荷载施加分三级，一、二级加载均为挂线荷载，分别在指定导线的加载盘上放置砝码，三级加载是通过侧向加载引导线施加侧向水平荷载，相关几何尺寸要求见图1。

图1 山地输电塔模型几何尺寸要求

1.2 加载方法

为验证模型稳定性，按照赛题要求，我们在进行一级、二级、三级加载时按照赛题要求的最大荷载进行加载，导线悬挂示意图见图2。

图2 导线悬挂示意图

1.2.1 一级加载

一级加载通过放置作用于导线2上的砝码（导线2与导线5的夹角为165°），间接作用于高挂点，砝码质量为4.0kg，加载完成停留10s后，读取3个激光测距仪的净空示数，若示数均大于规定的净空限值且无异常，则进入下一阶段加载。

1.2.2 二级加载

保持一级荷载，对导线1、导线6上加载盘放置砝码，砝码质量为4.0kg。加载完成停留10s后，读取3个激光测距仪的净空示数，若示数均大于规定的净空限值且无异常，则进入下一阶段加载。

1.2.3 三级加载

保持一、二级荷载，在模型水平加载点通过“砝码+引导绳”的方式施加侧向水平荷载，荷载大小取10.0kg。加载完成停留10s后，模型结构若不发生整体倾覆、垮塌，及导线坠落、挂钩脱落等情况，则判定加载成功。

2 截面尺寸与材料性质

2.1 模型的尺寸

模型的尺寸为：模型总宽25mm，翼展70mm，高125mm；模型底座为25mm×25mm的矩形，顶为15mm× 15mm的矩形，每层按比例缩减；

2.2 模型的截面

粘结剂：502胶水；

加载物：质量为4.0kg、10.0kg的砝码。

模型材料：选用规格为930mm×2mm×2.0（+0.5）mm的集成竹材。竹材规格及参考力学指标见表1。

表1 竹材规格及参考力学指标

3 加载结果及分析

依据赛题，按照加载的最大要求：

对输电塔左翼尖端（低挂点1）施加方向为X轴偏-Y方向15°，大小为40N的力，即一级加载最大要求；

对输电塔右翼尖端（低挂点2）施加方向为-X方向，大小为40N的力；对输电塔最高处尖端（高挂点）施加方向为X轴偏-Y方向15°，大小为40N的力；即二级加载最大要求；

对输电塔最高处尖端（高挂点）施加方向为-Y方向，大小为100N的力，即三级加载最大要求。

得到模型的应力与应变云图见下图3：

图3 三级荷载作用下模型的应力与应变云图

知：输电塔应力最大值为3.15×105Pa，应变最大处为36.94cm。输电塔应变较大，该模型不具有实际意义，应对其进行优化设计。

4 模型的优化

4.1 结构优化

在输电塔应变云图中，宏观观测到的输电塔结构变形是由结构设计不合理造成的；输电塔杆件的变形（图中已用不同颜色加以区分）是由外力荷载造成的[2-3]。

故模型的结构优化应注重对于结构设计的优化，对于外力荷载造成的杆件变形，此处不予讨论。

由应力、应变云图：输电塔塔体因受扭矩影响发生扭转变形。

对于输电塔塔尖结构变形较大，考虑到塔尖受力较大，对塔尖辅以三角形结构。

对于输电塔塔体，由于其底层完全固定，上层受到外力传递的荷载作用，尤以扭矩作用效果明显，输电塔主题扭转变形较大，对输电塔塔体每层辅以四棱锥结构[4-5]。模型实体见图4。

图4 模型实体图

4.2 优化后模型的检验

依据赛题，按照赛题加载的最大要求（已在3 加载结果及分析中介绍，此处不再赘述），得到优化后模型的应力与应变云图如下图5所示：

图5 三级荷载作用下不同分析步的模型应变云图

图5 三级荷载作用下优化后模型的应力与应变云图

选取Step6、Step7、Step8、Step9、Step10、Step11（Step1—Step5变形不明显，此处舍去），以观察其连续的变形，Step6—Step11应变云图如下图6所示：

输电塔应力最大值为1.13×105Pa，仅为优化前的35.87%；输电塔应变最大处为2.36cm，仅为优化前的6.39%。经优化后的输电塔应力、应变比优化前有较大范围的改善，满足赛题要求。

5 结论

采用Abaqus对结构模型进行模拟，并根据模拟结果对模型进行优化设计。结果表明，在最大荷载的作用下，经优化后的模型最大位移处位移为2.36cm，满足赛题要求。这说明，Abaqus的模拟对于模型的结构设计具有重要价值，可以为模型的设计提供受力合理、结构简洁的方案，以保证模型理论计算完备。其次，对于结构模型而言，模型的制作也是关系模型承载能力的重要因素，尤其是材料节点处的粘结。