基于有限元求解的输电塔上下柱节点分析研究

陈 振，刘俊豪

（1.广东保利城市发展有限公司，广东 广州 510000；2.广州市设计院，广东 广州 510000）

国内外的变电站构架大多以型钢为主材。圆形钢管的力学性能优异且经济性良好，故由多个支管组成的圆钢管空间节点便成为变电站构架中最普遍的节点形式。但变电站构架中的节点构造与受力均较复杂，必须通过试验或有限元进行受力分析。

目前已有较多学者对钢管节点的受力性能进行了数值分析。例如，有采用屈服线模型对钢管节点的极限承载力进行了简化理论分析，计算获得的结果与试验结果吻合良好。有对输电塔十字插板连接节点强度进行分析，验证了十字插板连接节点受力性能良好，但主管管壁与节点板及顶部环向肋板交汇处应力集中现象明显。有对钢管输电塔环型加肋节点极限承载力进行了研究，发现除主管壁厚、管径、节点板长度、现时状态下屈服区域内中截面特征点挠度外，钢管环型加肋节点的承载力还受其他因素的影响，包括环型加肋板的高度、厚度以及节点板连接的单双侧，这主要是因为环型加肋板使节点的承载力有所提高，并且减少了钢管与节点板和环板连接处的应力集中现象。

复杂节点的力学性能与整体结构的承载力息息相关，但是实际工程设计中往往仅基于计算假定进行结构整体分析及构件强度计算，未对具体节点进行相对深入的分析研究。此外，对于复杂节点的受力分析，沒有恒定的构造与计算模块，每个节点研究的构造与方法都不同。因此，本文对某变电站构架节点进行有限元数值模拟，以探究并分析节点的受力性能。

1 节点概况

1.1 节点形式

本文选取某变电站构架的角部输电塔上下柱变截面处节点进行分析，该节点由钢管外节点板、竖向加劲肋、钢管内肋板等组成，其构造形式较为复杂。该节点与两个方向的三角形桁架相连，存在上柱与桁架传递过来的荷载，受力较为复杂。该节点的构造如图1所示。节点板和加劲肋采用Q235B钢材，管件的规格如表1所示。

图1 节点设计图Fig.1 Node design diagram

表1 管件规格Tab.1 Specification of pipe fittings

1.2 节点荷载

节点所在的构架处在整个构筑物的角上，节点承接互成90°的桁架传来的荷载，如图2所示。

图2 节点荷载Fig.2 Node load

2 节点有限元受力分析

2.1 节点有限元模型的假设

节点结构主要通过焊接的方式连接组成，无相对运动的零部件，因此，本文将基于以下3点假设来建立节点的有限元模型：

（1）结构构件的焊接完全可靠，结构构件间已全部焊透，不存在焊接残余应力，在分析时可忽略焊脚高度对结构的影响；

（2）忽略支座结构中任何安装和制造变形，仅依据图纸的理想结构来建模；

（3）钢板与钢管壁厚远远小于其它方向的尺度，可不考虑沿厚度方向的应力。

2.2 单元类型与约束条件

由于此节点构造复杂，模型尺寸较大，同时保证关键部位计算的精确度，根据壳单元的特性，在建立几何模型时，可采用其中性面建立。在这里，采用了ANSYS软件中的壳单元SHELL181，该单元有4个节点数，每个节点有6个自由度。由于结构的不规则性较多，划分网格时优先采用映射网格划分，共划分了壳单元18 706个，节点18 488个，如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

考虑本项目中上下柱相交处节点有较大荷载，且节点处的应力分布是研究的重点。由于选用输电塔中的节点，节点下部可模拟为固接边界条件，故在下柱远离节点处设置为固定约束。

2.3 有限元计算结果

通过ABAQUS软件后处理模块，采用大型通用CAE软件ANSYSWorkbench网格结构进行了分析计算，其计算结果如下，其中坐标系如图3所示。可得到节点变形、应力云图、位移等结果。

2.3.1 变形结果

在设计荷载作用下，节点总变形分布如图4所示，最大变形发生在在节点底板短直边下的加劲肋处，总位移与各方向最大的位移如表2所示。

图4 总变形分布图Fig.4 Total deformation distribution

表2 各方向最大位移值Tab.2 Maximum displacement in all directions

2.3.2 应力结果

（1）下柱的应力分布云图。如图5所示为下柱处的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于加劲肋的下部加强环处，其值为149 MPa；

图5 下柱的应力云图Fig.5 Stress cloud diagram of the lower column

（2）支座底板的应力分布云图。如图6所示为支座底板处的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于加劲肋的下部加强环处，其值为49.3 MPa；

图6 支座底板的应力分布云图Fig.6 Cloud diagram of stress distribution of support base plate

（3）加劲肋的应力分布云图。如图7所示为加劲肋的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于底边短直边下的加劲肋处，其值为70.6 MPa。

图7 加劲肋的应力云图Fig.7 Stress cloud diagram of stiffeners

（4）上柱的应力分布云图。如图8所示为上柱的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于底边短直边下的加劲肋处，其值为3.2 MPa。

图8 上柱的应力分布云图Fig.8 Cloud diagram of stress distribution of the upper column

整个节点的应力最大值在下柱，其应力分布云图如图所示，最大应力位于加劲肋的下部加强环处，其值为149 MPa。

3 结语

本文以输电铁塔钢节点作为研究对象，因节点构造复杂，不易使用常规受力分析，因此采用ANSYS软件对其进行有限元分析受力分析。

其中，采用壳单元SHELL181进行网格划分，最终计算得到节点不同方向的各自的变形和节点总的变形以及节点最大应力的所在处，可得以下结论：

（1）结构构造合理。通过分析可知节点在设计荷载下，各区域应力未超过节点材料的屈服强度，整体应力水平较低，且节点区并未出现较大的变形；

（2）最大应力发生支座底板下的加劲肋下部的加强环与下柱相交处，建议此加强环加大，延伸至下部两柱间的节点板处，以保证节点的安全可靠性。