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有限元模型输电塔架动力特性分析




1 前言


由于输电塔架的现场施工条件比较艰苦，其节点构造都尽量简单，通常腹杆只有一肢通过螺栓与弦杆或其它腹杆偏心连接，使得汇于同一节点的各杆轴线很难交于一点，加上单角钢杆件截面的形心和剪力中心不重合，实际杆件并非理论上的二力杆；另外弦杆一般在节点上是连续的，腹杆与节点的连接刚度也不是完全的铰节点或刚节点，也就是说，实际塔架在杆件和节点两方面都与桁架或刚架基本假定不尽相符。因此在用有限元进行塔架结构的动力特性分析时，对杆件和节点的不同处理无疑会直接影响计算分析结果。本文针对这些问题进行较全面的分析讨论。


2 建立塔架有限元模型时对节点的处理


用有限元法分析塔架结构时，通常将所有杆都取为杆单元即二力杆，从而形成空间桁架结构。由于杆单元不能考虑杆件端部的连接刚度和偏心的影响，而且还会导致塔架结构模型的许多部位如横隔杆出横隔平面、再分式腹杆出桁架平面等几何可变。要消除空间桁架模型的几何可变性的一种方法是附加一些约束杆单元，另一种方法就是去掉次腹杆，将再分杆改为不再分。但后一种方法在处理横隔或同一主材两相邻塔面没有公共节点时仍会遇到困难，而且把所有次腹杆去掉无疑会给分析带来较大误差。相比之下，前一种方法即切实可行，只要合理设置附加杆，分析结果的误差也很小，所以本文采用这种方法来消除空间桁架模型的几何可变性。


附加杆单元的设置原则是既要消除结构出现几何可变性，又不能明显影响塔架结构的受力状态，因此应着重考虑附加杆的数量、部位、方向和截面面积等因素。附加杆的数量应尽量少，只要在几何可变节点的相应自由度上设一杆使节点成为几何不变点即可，杆多了会在该自由度形成超静定，增加结构的刚度和内力，附加杆的方向最好能形成几何可变自由度方向的约束链杆，即与桁架平面或横隔平面垂直，从而使附加杆接近于零杆，也不会在塔架杆件中产生明显内力，附加杆的另一端节点应利用塔架原有的节点。附加杆的截面应该尽量小，既可减小附加杆对塔架结构的受力影响，又可以减小附加质量对塔架结构固有频率的影响，但附加杆截面过小刚度不足时，就起不到所需的约束作用，模态分析时会出现许多局部模态。计算分析表明，附加杆的截面面积取被约束杆面积的1/20～1/10比较合适。


用有限元分析塔架结构也可以采用梁单元按空间刚架建模，这时不会出现几何可变问题，但因节点刚度很难确定，一般还是采用刚节点模型，从而人为地增大塔架结构的整体刚度。所以应该根据塔架结构杆件的实际工作状态赤确定单元类型。弦杆因其刚度明显大于腹杆，而且在节点处保持连续，所以宜按梁单元考虑。腹杆则宜分为主腹杆和次腹杆分别考虑。主腹杆两端均直接与弦杆相连，往往具有再分节点，自身的刚度和端部连接约束刚度都比较大，所以宜按梁单元考虑。次腹杆一般无再分节点，一端甚至两端都与主腹杆相连，在塔架结构的简化计算中只考虑用其减小弦杆或主腹杆计算长度，而不计其受力，通常每端只用一个螺栓连接，端部约束和自身刚度比较小，内力和二阶应力都不大，所以可以按杆单元考虑。这种处理方法使主腹杆的刚度和对塔架的约束偏大，而次腹杆的刚度和对塔架的约束偏小，相互有所抵消，比较合理。


3 实例塔架有限元模型的建立


本文选取一座目前500kV主干电网中普遍应用的猫头型塔架为实例模型，分析讨论有限元模型对输电塔架模态分析结果的影响。


本文对实例输电塔架建立了三种有限元模型：


1. 空间桁架模型


所有杆件均取为杆单元，增设必要的附加杆，消除空间桁架几何可变。该模型共用了573个节点和1637个杆单元，其中22个是附加杆单元。


2.     混合单元模型


弦杆和主腹杆取为空间梁单元，次腹杆取为杆单元。为研究偏心连接的影响，再按模型中的弦杆和主腹杆不同偏心情况建立了三种模型。每个模型均用了665个节点和1615个单元，其中杆单元727个，梁单元888个。


3．空间刚架模型


所有杆件均取为空间梁单元。该模型共用了665个节点和1615个梁单元。


上述三种模型中，混合单元模型和空间刚架模型的节点数较多的原因是用空间梁单元建模时需增加一些节点来确定梁截面的方向，而且所有杆件交叉处均可设为节点，而空间桁架模型为避免成为几何可变，应尽量减少节点。相反，空间桁架模型因增设了附加杆，单元数比较多。


五个有限元计算模型编号及特征见表1。


表1　有限元模型编号及特征




   
        
            
            
模型号

            
            
            
模型类型

            
            
            
模型的单元偏心程度

            
        

   
   
        
            
            
M1

            
            
            
空间桁架

            
            
            
所有杆均为杆单元，但增设了少量附加杆单元。

            
        

        
            
            
M2

            
            
            


            
混合单元

            
            
            
次腹杆为杆单元，弦杆和主腹杆均为偏心连接的梁单元。

            
        

        
            
            
M3

            
            
            
次腹杆为杆单元，弦杆和主腹杆均为形心连接梁单元。

            
        

        
            
            
M4

            
            
            
次腹杆为杆单元，弦杆为偏心连接梁单元，主腹杆为形心连接梁单元。

            
        

        
            
            
M5

            
            
            
空间刚架

            
            
            
所有杆均为偏心连接的梁单元，偏心均按所研究塔架的实际设计确定。

            
        

   







4 实例塔架动力特性分析　


因几何非线性和阻尼对结构的动力特性影响很小，所以本文的模态分析中不考虑这两者的影响。


4.1　塔架结构固有频率计算


利用上述5种有限元模型对实例塔架进行了模态分析，尽管实际工程分析一般取前10阶固有频率已经足够，但为更明显讨论有限元模型对模态分析的影响，所以还是提取了前100阶固有频率，具体结果见表2。


表2　不同模型的前100阶固有频率




   
        
            
            
阶　数

            
            
            
自　振　频　率　（Hz）

            
        

        
            
            
M1

            
            
            
M2

            
            
            
M3

            
            
            
M4

            
            
            
M5

            
        

   
   
        
            
            
1

            
            
            
2.5754

            
            
            
2.6103

            
            
            
2.5872

            
            
            
2.6053

            
            
            
2.6471

            
        

        
            
            
2

            
            
            
2.6175

            
            
            
2.6354

            
            
            
2.6100

            
            
            
2.6305

            
            
            
2.6493

            
        

        
            
            
3

            
            
            
4.1081

            
            
            
3.9569

            
            
            
4.0220

            
            
            
4.0251

            
            
            
4.0374

            
        

        
            
            
4

            
            
            
5.6390

            
            
            
5.5778

            
            
            
5.5542

            
            
            
5.5872

            
            
            
5.7532

            
        

        
            
            
5

            
            
            
5.9309

            
            
            
6.1509

            
            
            
6.0653

            
            
            
6.1381

            
            
            
6.2031

            
        

        
            
            
6

            
            
            
8.4579

            
            
            
7.6307

            
            
            
7.6042

            
            
            
7.6051

            
            
            
8.5850

            
        

        
            
            
7

            
            
            
10.700

            
            
            
7.6907

            
            
            
7.6309

            
            
            
7.6316

            
            
            
10.667