(四川电力设计咨询有限责任公司 四川成都 610000)
摘要:在输电铁塔设计中,对节点的处理往往采取较为保守的计算方法和构造措施,结果就会导致节点刚度偏大,使得与之相连的主要受力杆件产生较大的附加弯矩,附加弯矩加大了与该节点相连杆件的应力,造成杆件提前失效,为输电线路造成损失。本文根据1000kV常用酒杯塔的实际杆件尺寸、所受荷载,分别采用K节点主材梁单元建模和采用杆系模型建模分析,对比两种不同单元选择下铁塔主材杆件的应力情况,观察附加弯矩对节点应力的影响,并在此基础上对酒杯塔K型节点进行优化设计,为以后相同类型的铁塔设计提供参考。
关键词:1000kV;酒杯塔;K节点;优化设计
1.研究节点形式及内容
1.1 研究对象和形式
在酒杯塔构造中,图1.1-1中的①号K节点由于其位置的特殊性和构造的复杂性导致其受力和变形存在诸多不定性,目前对于酒杯塔节点的研究也主要集中于①号节点的研究。
(1)ANSYS计算的轴力比《道亨》采用杆单元得到的轴力略小,但相差不大,说明模型模拟正确。分析轴力降低的原因,是由于节点产生了较大的弯矩,内力的重分配而引起的。
(2)主材采用梁单元建模的ANSYS整体计算模型能够更精确的模拟实际结构,主材杆端产生了附加弯矩,该弯矩对杆件产生的内力影响较大,不可忽略。
(3)由于有附加弯矩的影响,附加弯矩产生的压应力与杆件轴压应力一起构成了主材杆件的总压应力,该最大压应力大于《道亨》算得的压应力。
(4)K节点连接主材的总压应力较《道亨》计算结果均有增加,其中K节点下内主材1增加最大,但都在允许应力范围内。由此可知,该节点成为酒杯塔设计的关键节点,在设计过程中,要重点考虑其构造形式,以避免因其刚度过大带来的与节点相连杆件的破坏。
3 K节点优化分析
3.1 建立分析模型
从上述分析可知,K节点杆件通过螺栓或者焊接连接致使节点具有一定的刚度,此刚度会使节点相连杆件产生附加弯矩和附加弯曲应力,本节针对常用的K节点外包钢连接形式,对节点包钢厚度的改变引起节点刚度的变化进行分析,从而优化设计。分析模型选择梁杆体系整体模型的基础上,细化曲臂连接K型节点建模,曲臂节点模型采用shell181单元,与节点连接杆件采用耦合连接,建立的分析模型如图3.1-1。为了简化模型,在此将节点处内外包钢以及所包节点角钢用整块壳单元模拟,这样可以方便地改变其整体厚度从而观察其对节点刚度的影响。本节对其厚度分别进行了t=20,40,60mm的模拟分析,主要观察由于节点厚度改变引起的杆件Z向弯矩、轴向压应力以及最大压应力的变化。
由以上分析看出,随着节点包钢厚度的变化,节点刚度增大带来的杆件弯矩Mz增大效应突出,尤其在K节点下外主材1、K节点下内主材1表现明显 。由于附加弯矩的影响,与K节点相连的杆件产生了附加弯曲应力,在该应力叠加作用下K节点下外主材1、K节点下内主材1应力增大明显,从t=20mm到t=40mm,K节点下内主材1应力增幅较大,从t=40mm到t=60mm,K节点下外主材1应力增幅较大,且最大应力达到394Mpa,超过了该主材屈服强度设计值380Mpa(该主材原规格为L180*16,材质为Q420),说明增大节点包钢厚度会增加节点刚度,可能造成与之相连杆件的破坏,对于该例来说在设计时可将该杆件规格调大一级。
4 结论
主材采用梁单元建模的ANSYS整体计算模型所计算K节点主材应力大于杆系模型建模的《道亨》程序K节点主材应力,证明了K节点处由于节点刚度的存在对主材杆端产生了附加弯矩,该弯矩对杆件产生的附加内力较大,K节点刚度的变化通过改变节点包钢厚度分析得出:
(1)随着节点包钢厚度的变化,节点刚度增大带来的杆件弯矩Mz增大效应在K节点下外主材1、K节点下内主材1表现突出,节点包钢厚度从t=20mm到t=40mm,此二根杆件附加弯矩Mz增大3倍有余,从t=40mm到t=60mm增速放缓,约1.5倍左右。
(2)由于附加弯矩的影响,对于K节点下外主材1、K节点下内主材1应力增大明显,从t=20mm到t=40mm,K节点下内主材1应力增幅较大,从t=40mm到t=60mm,K节点下外主材1应力增幅较大,且最大应力达到394Mpa,超过了原杆件设计屈服强度380Mpa,说明增大节点包钢厚度会增加节点刚度,可能造成与之相连杆件的破坏,在具体设计中要深化分析。
参考文献
[1] GB 50665-2011 1000kV架空输电线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2011.
[2] DL/T 5154-2012 架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京:中国计划出版社, 2013.
[3] DL/T 50017-2003 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2003.
作者简介:
何小洪(1986—)男,汉族,硕士,工程师,主要从事输电线路结构设计工作。联系电话:15928027291
王钢(1975—)男,汉族,籍贯四川仁寿。1997年毕业于重庆建筑工程学院工民建专业,大学本科学历,工学学士,高级工程师。从事输电线路结构设计20年。
论文作者:何小洪,王钢
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/13
标签:节点论文; 应力论文; 弯矩论文; 主材论文; 刚度论文; 包钢论文; 厚度论文; 《电力设备》2017年第32期论文;